Silicijum je klasifikovan kao polumetal, a njegovo električno ponašanje se nalazi između izolatora i provodnika, a ne na bilo kom ekstremu. Ta pozicija je razlog zašto je metalurška roba ujedno i temelj cjelokupne industrije poluvodiča i fotonapona. Metalni silicijum koji se isporučuje iz topionice sam po sebi nije dobar provodnik; njegova korisnost proizlazi iz činjenice da se njegova provodljivost može konstruirati na mnogo reda veličine kontroliranim dopiranjem i da materijal nastavlja raditi na temperaturama gdje metali ne uspijevaju.
Intrinzično ponašanje: pojas u pojasu i otpornost
Na sobnoj temperaturi, čisti silicijum ima pojas od oko 1,12 elektron volti, što je dovoljno široko da gotovo nijedan elektron ne zauzima provodni pojas u odsustvu pobude. Rezultat je unutrašnji otpor od otprilike 2,3 x 10^5 ohm- centimetara na 25 stepeni Celzijusa, dvadesetak redova magnitude veći od bakra. Intrinzična koncentracija nosača je shodno tome niska, reda veličine 10^10 nosača po kubnom centimetru. Silicijum je stoga loš provodnik u svom čistom stanju, i svaka rasprava o njegovoj provodljivosti mora specificirati nivo dopinga.
| Nekretnina | Vrijednost na 300 K |
|---|---|
| Band gap | 1,12 eV |
| Intrinzična otpornost | Približno 2,3 x 10^5 ohm-cm |
| Mobilnost elektrona | Približno 1.400 cm2/Vs |
| Pokretljivost rupa | Približno 450 cm2/Vs |
| Toplotna provodljivost | Približno 148 W/(mK) |
| Tačka topljenja | 1.414 stepeni Celzijusa |
Doping pretvara silicijum u radni provodnik
Dodavanje elemenata grupe III ili grupe V potpuno mijenja sliku. Fosfor ili arsen, sa pet valentnih elektrona, donira slobodne elektrone i proizvodi materijal tipa n-; bor, sa tri valentna elektrona, stvara rupe i proizvodi p- materijal. Otpornost brzo opada sa koncentracijom dopanta: lagano dopirana pločica može biti u opsegu ohma-centimetara, dok se jako dopirana kontaktna regija može smanjiti na raspon milioma-centimetara u istom komadu materijala. Pošto se otpornost mjeri direktno na pločicama, in-metoda sonde sa četiri tačke-standardizirana kao ASTM F84 je rutinska provjera{10}}poda u proizvodnji u proizvodnji pločica. Ova mogućnost podešavanja - ne sirova provodljivost - je ono što čini silicijum osnovnim materijalom za tranzistore, diode i integrisana kola.
Temperaturno ponašanje i termička stabilnost
Silicijum se ponaša suprotno od metala kako temperatura raste. U metalu, vibracije rešetke efikasnije raspršuju nosače na višoj temperaturi, tako da otpor raste. U silicijumu, povećana toplotna energija potiče više nosilaca u pojasu, a povećanje nosioca nadmašuje gubitak mobilnosti, tako da provodljivost raste sa temperaturom. Silicijum se takođe topi na 1.414 stepeni Celzijusa, što je znatno iznad radnog opsega aluminijumskih ili bakarnih provodnika, i zadržava korisno ponašanje poluprovodnika u širokom temperaturnom opsegu. Ta kombinacija je razlog zašto se silicijumski uređaji i legure koje sadrže silicijum-odabiru za aplikacije visokotemperaturne elektronike, motora i energetskih-modula u kojima bi metalni provodnik omekšao ili oksidirao.
Gdje je vodljivost silicijuma najvažnija
Fotonapon je najveća direktna primjena: silicijum apsorbira svjetlost preko solarnog spektra, a unutrašnje polje ap-n spoja razdvaja generirane nosioce, pretvarajući fotone u struju. Elektronika koristi isti dopirani materijal za tranzistori, diode i integrirana kola. U skladištenju energije, silicijumske anode u litijum-ionskim ćelijama nude daleko veći teoretski kapacitet od grafita, i iako se moraju mešati da bi se upravljalo promenom zapremine, električni put kroz anodu je ono što pojačanje čini upotrebljivim. Na strani legure, silicijum legiran aluminijem ili bakrom poboljšava i električni i termalni prijenos u odljevcima motora, kućištima baterija i hladnjaka, jer silikonska faza zajedno mijenja toplinsko širenje i provodljivost.
Od metalurškog silicijuma do materijala{0}}klase uređaja
Nijedna od ovih aplikacija ne troši direktno silicijum za topionicu{0}}. Metalurški silicijum definisan u GB/T 2881-2014 je sirovina za trihlorosilan, koji se prečišćava i deponuje kao polisilicijum; Polisilicijum elektronskog -klase je specificiran u GB/T 12963-2014, a polisilicijum solarnog kvaliteta u GB/T 25074. Tragovi gvožđa, aluminijuma i kalcijuma u metalurškoj sirovini određuju koliko rada prečišćavanja hemijska ruta mora da uradi, zbog čega izbor kvaliteta na nivou cene ima direktnu posledicu nekoliko koraka nizvodno od topionice. Kupci silicijumskog metala za fotonaponski ili elektronski lanac treba da tretiraju šifru kvaliteta kao specifikaciju ulaznog procesa, a ne kao cjenovnu kategoriju.
Često postavljana pitanja
Q:Da li je metal silicijum dobar električni provodnik?
O: Ne. Intrinzični silicijum ima otpornost od oko 2,3 x 10^5 ohm{4}}cm na 25 stepeni Celzijusa, otprilike dvadeset redova magnitude više od bakra. Postaje korisno provodljiv tek nakon dopinga.
Q:Kako doping mijenja provodljivost?
O: Fosfor ili arsen stvara materijal tipa n- sa slobodnim elektronima, a bor stvara materijal tipa p- sa rupama. Otpornost pada od opsega ohma-centimetara u lagano dopiranom materijalu do raspona miliohm-centimetara pri visokim nivoima dopanta.
Q:Zašto silicijum bolje provodi kada je vruć?
O: Toplotna energija potiče nosioce u pojasu od 1,12 eV brže nego što rasipanje rešetke smanjuje njihovu mobilnost, tako da provodljivost raste s temperaturom, suprotno od metala.
Q:Koja je gornja granica temperature?
O: Silicijum se topi na 1414 stepeni Celzijusa i zadržava korisno ponašanje poluprovodnika znatno ispod te tačke, zbog čega je izabran za elektroniku na visokim{2}}temperaturama i energetske module.
Q:Kako se mjeri otpornost u proizvodnji?
O: Metodom sonde u-linijskoj četiri-tačke standardizovanom kao ASTM F84, koja se primjenjuje direktno na pločice bez njihovog oštećenja.
Q:Može li se silicijum za topionicu{0}} koristiti direktno u solarnim ćelijama?
O: Ne. Metalurški silicijum u skladu sa GB/T 2881-2014 se preko trihlorosilana pretvara u polisilicijum; Elektronski{4}} materijal je pokriven GB/T 12963-2014, a materijal solarnog kvaliteta GB/T 25074.