Er silisium en leder? Ren vs dopet silisiumledningsevne

Det viktige spørsmålet er derfor ikke bare omsilisiumkan føre strøm. Det er dethvorfor den samme silisiumkrystallen kan lede dårlig i sin rene tilstand og bli mye mer elektrisk nyttig etter kontrollert doping.

Elektriske materialer er ofte gruppert etter hvor lett ladebærere kan bevege seg gjennom dem. Silisium sitter mellom en typisk leder og en typisk isolator.

Så å beskrive silisium som en leder eller en isolator, savner egenskapen som betyr mest. Silisium er en halvleder hvis elektriske oppførsel kan endres over et bredt praktisk område.

Rent krystallinsk silisium har fire valenselektroner. Inne i krystallen deler hvert silisiumatom disse elektronene med naboatomer gjennom kovalente bindinger.

Fordi mange av valenselektronene er involvert i binding, er relativt få frie til å bevege seg gjennom krystallen og føre strøm ved romtemperatur.

Dette er fundamentalt forskjellig fra et typisk metall, hvor en mye større populasjon av mobile elektroner allerede er tilgjengelig for ledning.

Rent silisium er derfor elektrisk svakt sammenlignet med vanlige metalliske ledere, men det er ikke helt ikke-ledende. Termisk energi kan skape mobile elektroner og hull, slik at målbar strøm kan flyte.

Intrinsic Silicon har få gratis ladebærere

Silisium uten tilsiktet doping kallesindre silisium.

Dens elektriske oppførsel avhenger hovedsakelig av bærerne som genereres i selve materialet. Ved romtemperatur er konsentrasjonen deres relativt lav, noe som gir iboende silisium mye høyere resistivitet enn en god metallisk leder.

Den lave egenledningsevnen skaper utgangspunktet som halvlederingeniører bevisst modifiserer materialet fra.

Vanlige industrielle silisiumkvaliteter

 

Silisiummetall 441

Silisiummetall 553

Silisiummetall 3303

Doping er mekanismen som gjør silisiums lave egenledningsevne til en kontrollerbar elektrisk egenskap.

Doping gjør ikke silisium til et metall.I stedet blir nøye utvalgte atomer introdusert i silisiumkrystallen for å endre antall og type tilgjengelige ladningsbærere.

N-Type silisium legger til elektronladningsbærere

N--type silisium produseres ved hjelp av donor-dopanter som fosfor eller arsen.

Disse atomene gir ekstra elektroner som lettere kan delta i elektrisk ledning enn elektronene som er bundet opp i den normale silisiumbindingsstrukturen.

Som et resultat,elektroner er de fleste ladningsbærere i silisium av N-type.

P-Type silisium skaper hullladningsbærere

P-silisium bruker akseptordopanter som bor eller gallium.

Disse dopstoffene skaper elektronmangel i krystallgitteret. Disse ledige stillingene er beskrevet somhullog oppfører seg som positive ladningsbærere.

I silisium av P-type blir hull de fleste bærere.

Evnen til å lage N-type og P-type regioner er viktigere enn bare å gjøre silisium "mer ledende". Det gjør at elektrisk oppførsel kan konstrueres forskjellig i forskjellige deler av samme halvlederstruktur.

Det er ingen enkelt elektrisk konduktivitetsverdi som representerer hvert silisiummateriale.

Konduktivitet og resistivitet avhenger av tilstanden til materialet som måles.

Temperaturendringer Silisiumledningsevne

Ettersom temperaturen på indre silisium øker, kan flere ladningsbærere bli tilgjengelige.

Konduktiviteten øker derfor generelt med temperaturen. Dette er en viktig forskjell fra typiske metalliske ledere, hvor motstanden normalt stiger når materialet blir varmere.

Renhet og dopantkonsentrasjon endrer silisiumresistivitet

Høyere kjemisk renhet betyr ikke automatisk høyere elektrisk ledningsevne.

Svært rent egensilisium kan ha relativt høy resistivitet nettopp fordi det inneholder få ladningsbærere.

Når kontrollerte dopingsmidler er tilsatt, kan bærerkonsentrasjonsendringer og konduktivitet øke betydelig. En meningsfull elektrisk spesifikasjon må derfor skillerenhetfradopingmiddelkonsentrasjon.

Krystalldefekter kan påvirke elektrisk oppførsel av silisium

Krystalldefekter, korngrenser og forurensning kan påvirke hvordan ladningsbærere beveger seg gjennom silisium.

Dette er grunnen til at halvledermateriale ikke spesifiseres bare av elementær renhet. Krystallkvalitet, dopingkontroll og resistivitet kan også være avgjørende.

Silisium ble grunnleggende for elektronikk fordi dets ledningsevne kan konstrueres, ikke fordi det naturlig leder elektrisitet ekstremt godt.

Ved å lage regioner med kontrollerte bærerkonsentrasjoner, kan silisium støtte elektriske strukturer som brukes i:

• Transistorer
• Integrerte kretser
• Databrikker
• Solceller
• Halvlederenheter

Den nyttige egenskapen er derforkontrollert ledningsevne: Ingeniører kan bevisst lage områder som reagerer forskjellig på elektriske forhold innenfor den samme- silisiumbaserte enheten.

Industrielt silisiummetall og halvledersilisium- er begge basert på elementet Si, men de er ikke utskiftbare elektriske materialer.

For eksempel er industrielle kvaliteter som Silicon Metal 553 og 441 normalt differensiert av metallurgisk kjemisk sammensetning, spesielt Fe, Al og Ca grenser.

Du kan se denne forskjellen i vår sammenligning av industriell silisiumkvalitet .

Disse karaktertallene forteller deg ikke dopantkonsentrasjonen eller resistiviteten som kreves for bruk av halvledere.

I vårt silisiumforsyningsarbeid skiller vi metallurgisk kjemisk sammensetning fra krav til elektriske-egenskaper. Hvis nedstrømsprosessen din avhenger av konduktivitet, renhet, dopingnivå eller resistivitet, bør disse parametrene bekreftes separat i stedet for å utledes fra en standard silisiummetallkvalitet.

Rent silisium erikke en god elektrisk ledersammenlignet med kobber, aluminium eller andre vanlige metalliske ledere.

Dens betydning kommer fra en annen egenskap: ledningsevne kan endres bevisst ved å kontrollere ladningsbærere.

Intrinsic silisium starter med relativt få mobilbærere. N-doping øker tilgjengelige elektroner, mens doping av P-type skaper hull. Temperatur, dopingmiddelkonsentrasjon, renhet og krystallkvalitet påvirker deretter den endelige ledningsevnen og resistiviteten ytterligere.

Dette er grunnen til at spørsmålet "leder silisium elektrisitet?" har et enkelt svar, men en viktig kvalifikasjon: