Το πυρίτιο ταξινομείται ως ημιμέταλλο και η ηλεκτρική του συμπεριφορά βρίσκεται μεταξύ ενός μονωτή και ενός αγωγού και όχι σε οποιοδήποτε άκρο. Αυτή η θέση είναι ο λόγος που ένα μεταλλουργικό εμπόρευμα είναι επίσης το θεμέλιο ολόκληρης της βιομηχανίας ημιαγωγών και φωτοβολταϊκών. Το μέταλλο πυρίτιο όπως αποστέλλεται από ένα χυτήριο δεν είναι από μόνο του καλός αγωγός. Η χρησιμότητά του προέρχεται από το γεγονός ότι η αγωγιμότητά του μπορεί να κατασκευαστεί σε πολλές τάξεις μεγέθους με ελεγχόμενο ντόπινγκ και ότι το υλικό συνεχίζει να λειτουργεί σε θερμοκρασίες όπου τα μέταλλα αποτυγχάνουν.
Εγγενής Συμπεριφορά: Διάκενο ζώνης και αντίσταση
Σε θερμοκρασία δωματίου, το καθαρό πυρίτιο έχει ένα διάκενο ζώνης περίπου 1,12 ηλεκτρον βολτ, το οποίο είναι αρκετά ευρύ ώστε σχεδόν κανένα ηλεκτρόνιο να μην καταλαμβάνει τη ζώνη αγωγιμότητας απουσία διέγερσης. Το αποτέλεσμα είναι μια εγγενής ειδική αντίσταση περίπου 2,3 x 10^5 ohm-εκατοστά στους 25 βαθμούς Κελσίου, περίπου είκοσι τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τον χαλκό. Η συγκέντρωση του ενδογενούς φορέα είναι αντίστοιχα χαμηλή, της τάξης των 10^10 φορέων ανά κυβικό εκατοστό. Το πυρίτιο είναι επομένως ένας κακός αγωγός στην καθαρή του κατάσταση και οποιαδήποτε συζήτηση για την αγωγιμότητά του πρέπει να προσδιορίζει το επίπεδο ντόπινγκ.
| Ιδιοκτησία | Αξία στα 300 K |
|---|---|
| Διάκενο ζώνης | 1,12 eV |
| Εγγενής αντίσταση | Περίπου 2,3 x 10^5 ohm-cm |
| Κινητικότητα ηλεκτρονίων | Περίπου 1.400 cm2/Vs |
| Κινητικότητα τρύπας | Περίπου 450 cm2/Vs |
| Θερμική αγωγιμότητα | Περίπου 148 W/(mK) |
| Σημείο τήξης | 1.414 βαθμοί Κελσίου |
Το ντόπινγκ μετατρέπει το πυρίτιο σε αγωγό εργασίας
Η προσθήκη στοιχείων της ομάδας III ή της ομάδας V αλλάζει εντελώς την εικόνα. Ο φώσφορος ή το αρσενικό, με πέντε ηλεκτρόνια σθένους, δίνει ελεύθερα ηλεκτρόνια και παράγει υλικό τύπου n-. το βόριο, με τρία ηλεκτρόνια σθένους, δημιουργεί οπές και παράγει υλικό τύπου p-. Η ειδική αντίσταση πέφτει γρήγορα με τη συγκέντρωση προσμίξεων: μια γκοφρέτα με ελαφρά ντόπινγκ μπορεί να βρίσκεται στην περιοχή των ωμ-εκατοστών, ενώ μια περιοχή επαφής με έντονη πρόσμιξη μπορεί να μειωθεί στο εύρος των εκατοστών- milliohm στο ίδιο κομμάτι υλικού. Επειδή η ειδική αντίσταση μετριέται απευθείας σε γκοφρέτες, η μέθοδος ανίχνευσης στη γραμμή τεσσάρων σημείων-στην τυποποιημένη ως ASTM F84 είναι ο συνήθης έλεγχος δαπέδου κατά την κατασκευή γκοφρετών. Αυτή η δυνατότητα συντονισμού - όχι ακατέργαστης αγωγιμότητας - είναι που κάνει το πυρίτιο το βασικό υλικό για τρανζίστορ, διόδους και ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Συμπεριφορά θερμοκρασίας και θερμική σταθερότητα
Το πυρίτιο συμπεριφέρεται με τον αντίθετο τρόπο από ένα μέταλλο καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Σε ένα μέταλλο, οι δονήσεις του πλέγματος διασκορπίζουν τους φορείς πιο αποτελεσματικά σε υψηλότερη θερμοκρασία, έτσι η αντίσταση ανεβαίνει. Στο πυρίτιο, η αυξημένη θερμική ενέργεια προωθεί περισσότερους φορείς στο διάκενο της ζώνης και η αύξηση του φορέα αντισταθμίζει την απώλεια κινητικότητας, έτσι η αγωγιμότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Το πυρίτιο λιώνει επίσης στους 1.414 βαθμούς Κελσίου, πολύ πάνω από το εύρος λειτουργίας των αγωγών αλουμινίου ή χαλκού, και διατηρεί χρήσιμη συμπεριφορά ημιαγωγών σε μια ευρεία ζώνη θερμοκρασίας. Αυτός ο συνδυασμός είναι ο λόγος για τον οποίο οι συσκευές πυριτίου και τα κράματα-που περιέχουν πυρίτιο επιλέγονται για εφαρμογές υψηλής-ηλεκτρονικής, κινητήρα και μονάδας ισχύος-σε θερμοκρασίες όπου ένας μεταλλικός αγωγός μαλακώνει ή οξειδώνεται.
Όπου η αγωγιμότητα του πυριτίου έχει μεγαλύτερη σημασία
Τα φωτοβολταϊκά είναι η μεγαλύτερη άμεση εφαρμογή: το πυρίτιο απορροφά το φως σε όλο το ηλιακό φάσμα και το εσωτερικό πεδίο της διασταύρωσης ap-n διαχωρίζει τους δημιουργούμενους φορείς, μετατρέποντας τα φωτόνια σε ρεύμα. Η ηλεκτρονική χρησιμοποιεί το ίδιο ντοπαρισμένο υλικό σε τρανζίστορ, διόδους και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στην αποθήκευση ενέργειας, οι άνοδοι πυριτίου σε κυψέλες ιόντων λιθίου- προσφέρουν πολύ υψηλότερη θεωρητική χωρητικότητα από τον γραφίτη, και παρόλο που πρέπει να αναμειχθούν για τη διαχείριση της αλλαγής όγκου, η ηλεκτρική διαδρομή μέσω της ανόδου είναι αυτή που κάνει το κέρδος χρησιμοποιήσιμο. Από την πλευρά του κράματος, το πυρίτιο με κράμα αλουμινίου ή χαλκού βελτιώνει τόσο την ηλεκτρική όσο και τη θερμική μεταφορά στα χυτά μοτέρ, στο περίβλημα των μπαταριών και στις ψύκτες θερμότητας, επειδή η φάση του πυριτίου αλλάζει τη θερμική διαστολή και την αγωγιμότητα μαζί.
Από το μεταλλουργικό πυρίτιο στο υλικό -διαβάθμισης συσκευών
Καμία από αυτές τις εφαρμογές δεν καταναλώνει απευθείας πυρίτιο-με βαθμό επεξεργασίας. Το μεταλλουργικό πυρίτιο που ορίζεται στο GB/T 2881-2014 είναι η πρώτη ύλη για το τριχλωροσιλάνιο, το οποίο καθαρίζεται και εναποτίθεται ως πολυπυρίτιο. Το ηλεκτρονικό-πολυπυρίτιο ποιότητας καθορίζεται στο GB/T 12963-2014 και το πολυπυρίτιο ηλιακής ποιότητας στο GB/T 25074. Τα ίχνη σιδήρου, αλουμινίου και ασβεστίου στη μεταλλουργική πρώτη ύλη καθορίζουν πόση εργασία καθαρισμού πρέπει να κάνει η χημική οδός, γι' αυτό και πολλά στάδια ποιότητας τήξης κατευθύνει μια επιλογή βαθμού τήξης. Οι αγοραστές μετάλλου πυριτίου για τη φωτοβολταϊκή ή ηλεκτρονική αλυσίδα θα πρέπει να αντιμετωπίζουν τον κωδικό ποιότητας ως προδιαγραφή εισόδου διεργασίας και όχι ως κατηγορία τιμής.
Συχνές Ερωτήσεις
Q:Είναι το μεταλλικό πυρίτιο καλός ηλεκτρικός αγωγός;
Α: Όχι. Το εγγενές πυρίτιο έχει ειδική ειδική αντίσταση περίπου 2,3 x 10^5 ohm-cm στους 25 βαθμούς Κελσίου, περίπου είκοσι τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τον χαλκό. Γίνεται χρήσιμα αγώγιμο μόνο μετά από ντόπινγκ.
Q:Πώς αλλάζει το ντόπινγκ την αγωγιμότητα;
Α: Ο φώσφορος ή το αρσενικό δημιουργεί υλικό τύπου n-με ελεύθερα ηλεκτρόνια και το βόριο δημιουργεί υλικό τύπου p-με οπές. Η ειδική αντίσταση πέφτει από το εύρος των ωμ-εκατοστών σε ελαφρώς εμποτισμένο υλικό στο εύρος χιλιοστών-εκατοστών σε υψηλά επίπεδα πρόσμιξης.
Q:Γιατί το πυρίτιο έχει καλύτερη συμπεριφορά όταν είναι ζεστό;
Α: Η θερμική ενέργεια προωθεί τους φορείς σε όλο το διάκενο ζώνης 1,12 eV πιο γρήγορα από ότι η σκέδαση πλέγματος μειώνει την κινητικότητά τους, επομένως η αγωγιμότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία, το αντίθετο από ένα μέταλλο.
Q:Ποιο είναι το ανώτερο όριο θερμοκρασίας;
Α: Το πυρίτιο λιώνει στους 1.414 βαθμούς Κελσίου και διατηρεί τη χρήσιμη συμπεριφορά ημιαγωγών πολύ κάτω από αυτό το σημείο, γι' αυτό επιλέγεται για ηλεκτρονικά εξαρτήματα και μονάδες ισχύος υψηλής θερμοκρασίας.
Q:Πώς μετριέται η ειδική αντίσταση στην παραγωγή;
Α: Με τη μέθοδο ανίχνευσης σημείων στη-γραμμή τεσσάρων-σημείων τυποποιημένη ως ASTM F84, η οποία εφαρμόζεται απευθείας σε γκοφρέτες χωρίς να τις καταστρέφει.
Q:Μπορεί το πυρίτιο-μεταλλουργικής ποιότητας να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε ηλιακές κυψέλες;
Α: Όχι. Το μεταλλουργικό πυρίτιο σύμφωνα με το GB/T 2881-2014 μετατρέπεται μέσω τριχλωροσιλανίου σε πολυπυρίτιο. Το υλικό ηλεκτρονικής-ποιότητας καλύπτεται από το GB/T 12963-2014 και το υλικό ηλιακής ποιότητας από το GB/T 25074.