הסיליקון מסווג כמתכת למחצה, וההתנהגות החשמלית שלו נמצאת בין מבודד ומוליך ולא בכל אחד מהקצוות. עמדה זו היא הסיבה שמצרך מתכות הוא גם הבסיס לכל תעשיית המוליכים למחצה והפוטו-וולטאים. מתכת סיליקון כפי שנשלחת מבית יתוך אינה מוליך טוב בעצמו; התועלת שלו נובעת מהעובדה שניתן להנדס את המוליכות שלו על פני סדרי גודל רבים על ידי סימום מבוקר, ושהחומר ממשיך לעבוד בטמפרטורות שבהן מתכות נכשלות.
התנהגות פנימית: פער רצועות והתנגדות
בטמפרטורת החדר, לסיליקון טהור יש פער פס של כ-1.12 וולט אלקטרוני, שהוא רחב מספיק שכמעט אף אלקטרונים לא יכבוש את פס ההולכה בהיעדר עירור. התוצאה היא התנגדות פנימית של בערך 2.3 x 10^5 אוהם-סנטימטר ב-25 מעלות צלזיוס, כעשרים סדרי גודל גבוה יותר מנחושת. ריכוז הנשאים הפנימי נמוך בהתאם, בסדר גודל של 10^10 נשאים לסנטימטר מעוקב. הסיליקון הוא אפוא מוליך גרוע במצבו הטהור, וכל דיון על המוליכות שלו צריך לציין את רמת הסימום.
| נֶכֶס | ערך של 300 K |
|---|---|
| פער להקה | 1.12 eV |
| התנגדות פנימית | בערך 2.3 x 10^5 אוהם- ס"מ |
| ניידות אלקטרונים | כ-1,400 סמ"ר/Vs |
| ניידות חורים | בערך 450 סמ"ר/Vs |
| מוליכות תרמית | בערך 148 W/(mK) |
| נקודת התכה | 1,414 מעלות צלזיוס |
סימום הופך סיליקון למנצח עובד
הוספת רכיבי קבוצה III או קבוצה V משנה את התמונה לחלוטין. זרחן או ארסן, עם חמישה אלקטרונים ערכיים, תורם אלקטרונים חופשיים ומייצר חומר מסוג n-; בורון, בעל שלושה אלקטרונים ערכיים, יוצר חורים ומייצר חומר מסוג p-. ההתנגדות יורדת במהירות עם ריכוז הסמפטום: רקיק מסומם קלות עשוי לשבת בטווח -אוהם סנטימטר, בעוד שאזור מגע מסומם בכבדות יכול להיות מופחת לטווח מיליאוהם-סנטימטר באותה פיסת חומר. מכיוון שההתנגדות נמדדת ישירות על פרוסות, שיטת הבדיקה-בקו ארבע-מתוקנת כ-ASTM F84 היא בדיקת הרצפות השגרתית-בחנות בייצור פרוסות. הכוונון הזה - לא מוליכות גולמית - היא מה שהופך את הסיליקון לחומר הבסיס של טרנזיסטורים, דיודות ומעגלים משולבים.
התנהגות טמפרטורה ויציבות תרמית
הסיליקון מתנהג בצורה הפוכה למתכת עם עליית הטמפרטורה. במתכת, רעידות סריג מפזרות נושאים בצורה יעילה יותר בטמפרטורה גבוהה יותר, כך שההתנגדות מטפסת. בסיליקון, אנרגיה תרמית מוגברת מקדמת יותר נשאים על פני פער הרצועה, והעלייה בנשא גוברת על אובדן הניידות, כך שהמוליכות עולה עם הטמפרטורה. הסיליקון נמס גם ב-1,414 מעלות צלזיוס, הרבה מעל טווח הפעולה של מוליכים מאלומיניום או נחושת, והוא שומר על התנהגות מוליך למחצה שימושית על פס טמפרטורות רחב. השילוב הזה הוא הסיבה לכך שהתקני סיליקון וסגסוגות המכילות סיליקון-נבחרים עבור יישומי אלקטרוניקה-בטמפרטורה גבוהה, מנוע ומודול כוח- שבהם מוליך מתכת יתרכך או מתחמצן.
היכן שהמוליכות של הסיליקון חשובה ביותר
פוטו-וולטאיקה היא היישום הישיר הגדול ביותר: סיליקון סופג אור על פני ספקטרום השמש והשדה הפנימי של צומת ap-n מפריד בין הנשאים הנוצרים, וממיר פוטונים לזרם. אלקטרוניקה משתמשת באותו חומר מסומם בטרנזיסטורים, דיודות ומעגלים משולבים. באחסון אנרגיה, אנודות סיליקון בתאי ליתיום- מציעות קיבולת תיאורטית גבוהה בהרבה מגרפיט, ולמרות שיש למזג אותן כדי לנהל שינוי נפח, המסלול החשמלי דרך האנודה הוא זה שהופך את הרווח לשימוש שמיש. בצד הסגסוגת, סיליקון סגסוגת אלומיניום או נחושת משפר הן את ההעברה החשמלית והן התרמית ביציקות המנוע, בתי הסוללות וגוף הקירור, מכיוון ששלב הסיליקון משנה התפשטות תרמית ומוליכות יחד.
מסיליקון מתכתי לחומר-למכשיר
אף אחד מהיישומים האלה לא צורך סיליקון בדרגת smelter- ישירות. סיליקון מתכתי המוגדר תחת GB/T 2881-2014 הוא חומר הזנה לטריכלורוסילאן, המטוהר ומופקד כפוליסיליקון; פוליסיליקון בדרגה אלקטרונית-מצוין ב-GB/T 12963-2014 ופוליסיליקון בדרגה סולארית ב-GB/T 25074. עקבות ברזל, אלומיניום וסידן בחומר הזנה המתכתי קובעים כמה עבודת טיהור הנתיב הכימי חייב לעשות, וזו הסיבה שלבחירת הציון במפעל ההיתוך יש השלכות ישירה של עלות במורד הזרם. קונים של מתכת סיליקון לרשת הפוטו-וולטאית או האלקטרונית צריכים להתייחס לקוד הציון כמפרט קלט תהליך ולא כקטגוריית מחיר.
שאלות נפוצות
Q:האם מתכת סיליקון היא מוליך חשמלי טוב?
ת: לא. לסיליקון פנימי יש התנגדות של כ-2.3 x 10^5 אוהם-ס"מ ב-25 מעלות צלזיוס, בערך בעשרים סדרי גודל גבוה יותר מנחושת. זה הופך להיות מוליך שימושי רק לאחר סימום.
Q:כיצד סימום משנה מוליכות?
ת: זרחן או ארסן יוצר חומר מסוג - עם אלקטרונים חופשיים, והבורון יוצר חומר מסוג - עם חורים. ההתנגדות יורדת מטווח -סנטימטר אוהם בחומר מסומם קלות לטווח מיליאוהם-סנטימטר ברמות דונט גבוהות.
Q:מדוע הסיליקון מוליך טוב יותר כשהוא חם?
ת: אנרגיה תרמית מקדמת נשאים על פני מרווח הפס של 1.12 eV מהר יותר מאשר פיזור הסריג מפחית את הניידות שלהם, כך שהמוליכות עולה עם הטמפרטורה, ההפך ממתכת.
Q:מהו גבול הטמפרטורה העליון?
ת: הסיליקון נמס ב-1,414 מעלות צלזיוס ושומר על התנהגות מוליך למחצה שימושית הרבה מתחת לנקודה זו, וזו הסיבה שהוא נבחר עבור אלקטרוניקה ומודולי הספק בטמפרטורה- גבוהה.
Q:כיצד נמדדת התנגדות בייצור?
ת: לפי שיטת הבדיקה -שורה בארבע-נקודות המתוקננת כ-ASTM F84, המיושמת ישירות על פרוסות מבלי לפגוע בהן.
Q:האם ניתן להשתמש בסיליקון בדרגת smelter- ישירות בתאים סולאריים?
ת: לא. סיליקון מתכתי התואם GB/T 2881-2014 הופך באמצעות trichlorosilane לפוליסיליקון; חומר-אלקטרוני מכוסה על ידי GB/T 12963-2014 וחומר בדרגה סולרית על ידי GB/T 25074.