Silikon yarı metal olarak sınıflandırılır ve elektriksel davranışı her iki uçta değil, yalıtkan ile iletken arasında bulunur. Bu konum, metalurjik bir ürünün aynı zamanda tüm yarı iletken ve fotovoltaik endüstrisinin de temelini oluşturmasının nedenidir. Bir izabe tesisinden gönderilen silikon metalinin kendisi iyi bir iletken değildir; Kullanışlılığı, iletkenliğinin kontrollü katkılamayla çok büyük mertebelerde düzenlenebilmesinden ve malzemenin, metallerin başarısız olduğu sıcaklıklarda çalışmaya devam etmesinden kaynaklanmaktadır.
İçsel Davranış: Bant Boşluğu ve Direnç
Oda sıcaklığında, saf silikonun yaklaşık 1,12 elektron voltluk bir bant aralığı vardır; bu, uyarım olmadığında neredeyse hiçbir elektronun iletim bandını işgal etmeyeceği kadar geniştir. Sonuç, 25 santigrat derecede kabaca 2,3 x 10^5 ohm-santimetrelik bir içsel dirençtir; bakırdan yirmi kat daha yüksektir. İçsel taşıyıcı konsantrasyonu buna bağlı olarak santimetre küp başına 10 üzeri 10 taşıyıcı düzeyinde düşüktür. Bu nedenle silikon saf haliyle zayıf bir iletkendir ve iletkenliğine ilişkin herhangi bir tartışmanın doping düzeyini belirtmesi gerekir.
| Mülk | 300 K'daki değer |
|---|---|
| Bant boşluğu | 1,12 eV |
| İçsel direnç | Yaklaşık 2,3 x 10^5 ohm-cm |
| Elektron hareketliliği | Yaklaşık 1.400 cm2/Vs |
| Delik hareketliliği | Yaklaşık 450 cm2/Vs |
| Isı iletkenliği | Yaklaşık 148 W/(mK) |
| Erime noktası | 1.414 santigrat derece |
Doping, Silikonu Çalışan Bir İletkene Dönüştürüyor
Grup III veya grup V öğelerinin eklenmesi, resmi tamamen değiştirir. Beş değerlik elektronuna sahip fosfor veya arsenik, serbest elektronları bağışlar ve n-tipi malzeme üretir; bor, üç değerlik elektronuyla delikler oluşturur ve p-tipi malzeme üretir. Direnç, katkı konsantrasyonuyla birlikte hızla düşer: Hafif katkılı bir levha, ohm-santimetre aralığında yer alabilirken, aynı malzeme parçasında yoğun katkılı bir temas bölgesi, miliohm-santimetre aralığına indirgenebilir. Direnç doğrudan plakalar üzerinde ölçüldüğü için, ASTM F84 olarak standartlaştırılmış-satır içi dört-noktalı prob yöntemi, plaka üretiminde rutin atölye kontrolüdür. Silikonu transistörler, diyotlar ve entegre devreler için temel malzeme yapan şey ham iletkenlik - değil, bu ayarlanabilirlik -'dir.
Sıcaklık Davranışı ve Termal Kararlılık
Silikon, sıcaklık arttıkça metalin tersi şekilde davranır. Bir metalde kafes titreşimleri, taşıyıcıları daha yüksek sıcaklıklarda daha etkili bir şekilde dağıtır, böylece direnç artar. Silikonda, artan termal enerji, bant aralığı boyunca daha fazla taşıyıcıyı teşvik eder ve taşıyıcı artışı, hareketlilik kaybına ağır basar, dolayısıyla iletkenlik sıcaklıkla birlikte artar. Silikon ayrıca alüminyum veya bakır iletkenlerin çalışma aralığının çok üzerinde, 1.414 santigrat derecede erir ve geniş bir sıcaklık bandında faydalı yarı iletken davranışını korur. Bu kombinasyon, silikon cihazların ve silikon-içeren alaşımların, metal bir iletkenin yumuşayacağı veya oksitleneceği yüksek-sıcaklık elektroniği, motor ve güç-modülü uygulamaları için seçilmesinin nedenidir.
Silikonun İletkenliğinin En Önemli Olduğu Yer
Fotovoltaik, en büyük doğrudan uygulamadır: silikon, güneş spektrumu boyunca ışığı emer ve ap-n bağlantısının dahili alanı, üretilen taşıyıcıları ayırarak fotonları akıma dönüştürür. Elektronik, transistörlerde, diyotlarda ve entegre devrelerde aynı katkılı malzemeyi kullanır. Enerji depolamada, lityum-iyon hücrelerdeki silikon anotlar, grafitten çok daha yüksek teorik kapasite sunar ve hacim değişimini yönetmek için harmanlanmaları gerekmesine rağmen, kazancı kullanılabilir kılan şey, anottan geçen elektrik yoludur. Alaşım tarafında, alüminyum veya bakır ile alaşımlı silikon, motor dökümlerinde, akü muhafazalarında ve soğutucularda hem elektriksel hem de termal aktarımı iyileştirir çünkü silikon fazı termal genleşmeyi ve iletkenliği birlikte değiştirir.
Metalurjik Silikondan Cihaz-Sınıfı Malzemeye
Bu uygulamaların hiçbiri doğrudan izabe- dereceli silikon tüketmez. GB/T 2881-2014 kapsamında tanımlanan metalurjik silikon, saflaştırılan ve polisilikon olarak biriktirilen triklorosilanın hammaddesidir; elektronik-sınıf polisilikon GB/T 12963-2014'te ve güneş sınıfı polisilikon GB/T 25074'te belirtilmiştir. Metalurjik ham maddedeki eser demir, alüminyum ve kalsiyum, kimyasal yolun ne kadar saflaştırma işi yapması gerektiğini belirler; bu nedenle izabe ocağındaki kalite seçiminin, birkaç adım aşağı yönde doğrudan maliyet sonucu vardır. Fotovoltaik veya elektronik zincir için silikon metal alıcıları, kalite kodunu bir fiyat kategorisi yerine proses girdi spesifikasyonu olarak ele almalıdır.
Sıkça Sorulan Sorular
Q:Silikon metal iyi bir elektrik iletkeni midir?
C: Hayır. İçsel silikonun direnci 25 santigrat derecede yaklaşık 2,3 x 10^5 ohm-cm'dir; bu bakırdan kabaca yirmi kat daha yüksektir. Ancak dopingden sonra faydalı bir şekilde iletken hale gelir.
Q:Doping iletkenliği nasıl değiştirir?
C: Fosfor veya arsenik, serbest elektronlara sahip n- tipi malzeme oluşturur ve bor, delikleri olan p- tipi malzeme oluşturur. Direnç, hafif katkılı malzemede ohm-santimetre aralığından, yüksek katkılı seviyelerde miliohm{-santimetre aralığına düşer.
Q:Silikon sıcakken neden daha iyi iletken olur?
C: Termal enerji, taşıyıcıları 1,12 eV bant aralığı boyunca kafes saçılımının hareketliliğini azaltmasından daha hızlı yükseltir, dolayısıyla iletkenlik sıcaklıkla birlikte artar, bu da metalin tersidir.
Q:Üst sıcaklık sınırı nedir?
C: Silikon 1.414 santigrat derecede erir ve bu noktanın çok altında yararlı yarı iletken davranışını korur, bu nedenle yüksek-sıcaklıktaki elektronikler ve güç modülleri için seçilir.
Q:Üretimde direnç nasıl ölçülür?
C: Plakalara zarar vermeden doğrudan uygulanan, ASTM F84 olarak standartlaştırılmış-satır içi dört-noktalı prob yöntemiyle.
Q:İzabe-derecesindeki silikon doğrudan güneş pillerinde kullanılabilir mi?
C: Hayır. GB/T 2881-2014'e uygun metalurjik silikon, triklorosilan yoluyla polisilikon'a dönüştürülür; elektronik-sınıf malzeme GB/T 12963-2014 kapsamında, güneş enerjisi sınıfı malzeme ise GB/T 25074 kapsamındadır.