El silici es classifica com un semimetall, i el seu comportament elèctric es troba entre un aïllant i un conductor en lloc de cap dels dos extrems. Aquesta posició és la raó per la qual una mercaderia metal·lúrgica també és la base de tota la indústria fotovoltaica i de semiconductors. El silici metall tal com s'envia des d'una fosa no és en si mateix un bon conductor; la seva utilitat prové del fet que la seva conductivitat es pot dissenyar en molts ordres de magnitud mitjançant un dopatge controlat i que el material segueix treballant a temperatures on els metalls fallen.
Comportament intrínsec: Band Gap i Resistivitat
A temperatura ambient, el silici pur té un buit de banda d'uns 1,12 electronvolts, que és prou ampli perquè gairebé cap electron ocupi la banda de conducció en absència d'excitació. El resultat és una resistivitat intrínseca d'aproximadament 2,3 x 10^5 ohm-centimetres a 25 graus centígrads, uns vint ordres de magnitud superior al coure. La concentració de portadors intrínsecs és corresponentment baixa, de l'ordre de 10^10 portadors per centímetre cúbic. Per tant, el silici és un mal conductor en estat pur, i qualsevol discussió sobre la seva conductivitat ha d'especificar el nivell de dopatge.
| Propietat | Valor a 300 K |
|---|---|
| Band gap | 1,12 eV |
| Resistivitat intrínseca | Aproximadament 2,3 x 10^5 ohm-cm |
| Mobilitat electrònica | Aproximadament 1.400 cm2/Vs |
| Mobilitat de forats | Aproximadament 450 cm2/Vs |
| Conductivitat tèrmica | Aproximadament 148 W/(mK) |
| Punt de fusió | 1.414 graus centígrads |
El dopatge converteix el silici en un conductor de treball
Afegir elements del grup III o del grup V canvia completament la imatge. El fòsfor o arsènic, amb cinc electrons de valència, dona electrons lliures i produeix material de tipus n-; el bor, amb tres electrons de valència, crea forats i produeix material de tipus p-. La resistivitat cau ràpidament amb la concentració de dopants: una hòstia lleugerament dopada pot situar-se en el rang d'ohm-centimètrics, mentre que una regió de contacte fortament dopada es pot reduir al rang de miliohm{-centimetre en la mateixa peça de material. Com que la resistivitat es mesura directament a les hòsties, el mètode de sonda en -quatre-punts estandarditzat com a ASTM F84 és el control rutinari de la botiga-en la fabricació d'hòsties. Aquesta ajustabilitat - no la conductivitat bruta - és el que fa que el silici sigui el material base per a transistors, díodes i circuits integrats.
Comportament de la temperatura i estabilitat tèrmica
El silici es comporta de manera oposada a un metall a mesura que augmenta la temperatura. En un metall, les vibracions de la gelosia dispersen els portadors de manera més eficaç a temperatura més alta, de manera que la resistència augmenta. En el silici, l'augment de l'energia tèrmica promou més portadors a través de la bretxa de banda i l'augment del portador supera la pèrdua de mobilitat, de manera que la conductivitat augmenta amb la temperatura. El silici també es fon a 1.414 graus centígrads, molt per sobre del rang de funcionament dels conductors d'alumini o coure, i conserva un comportament útil dels semiconductors en una àmplia banda de temperatura. Aquesta combinació és la raó per la qual es seleccionen dispositius de silici i aliatges-que contenen silici per a aplicacions d'electrònica, motors i mòduls-d'alta temperatura d'-temperatura on un conductor metàl·lic s'estovaria o s'oxidaria.
On la conductivitat del silici és més important
La fotovoltaica és l'aplicació directa més gran: el silici absorbeix la llum a través de l'espectre solar i el camp intern de la unió ap-n separa els portadors generats, convertint els fotons en corrent. L'electrònica utilitza el mateix material dopat en transistors, díodes i circuits integrats. En l'emmagatzematge d'energia, els ànodes de silici a les cèl·lules d'ions de liti-ofereixen una capacitat teòrica molt superior a la del grafit i, tot i que s'han de combinar per gestionar el canvi de volum, la via elèctrica a través de l'ànode és el que fa que el guany sigui utilitzable. Pel costat de l'aliatge, el silici aliat amb alumini o coure millora tant la transferència elèctrica com tèrmica en peces de fosa de motors, carcasses de bateries i dissipadors de calor, perquè la fase de silici altera conjuntament l'expansió tèrmica i la conductivitat.
Des del silici metal·lúrgic fins al material de qualitat del dispositiu-
Cap d'aquestes aplicacions consumeix directament silici de grau-de fosa. El silici metal·lúrgic definit segons GB/T 2881-2014 és la matèria primera per al triclorosilà, que es purifica i es diposita com a polisilici; El polisilici de grau electrònic -s'especifica a GB/T 12963-2014 i el polisilici de grau solar a GB/T 25074. Els rastres de ferro, alumini i calci a la matèria primera metal·lúrgica determinen la quantitat de treball de purificació que ha de fer la ruta química, per això la selecció de grau a la fosa té una conseqüència de costos directes en diversos passos. Els compradors de silici metàl·lic per a la cadena fotovoltaica o electrònica haurien de tractar el codi de grau com una especificació d'entrada del procés i no com una categoria de preu.
Preguntes freqüents
Q:El silici metall és un bon conductor elèctric?
R: No. El silici intrínsec té una resistivitat d'uns 2,3 x 10^5 ohm-cm a 25 graus centígrads, aproximadament vint ordres de magnitud superior al coure. Només esdevé útilment conductor després del dopatge.
Q:Com canvia la conductivitat el dopatge?
R: El fòsfor o l'arsènic creen material de tipus n-amb electrons lliures, i el bor crea material de tipus p- amb forats. La resistivitat cau des de l'interval d'ohm-centimetre en material lleugerament dopat fins a l'interval de miliohm-centimetre a nivells alts de dopants.
Q:Per què el silici condueix millor quan està calent?
R: L'energia tèrmica promou els portadors a través de la bretxa de banda d'1,12 eV més ràpidament que la dispersió de la gelosia redueix la seva mobilitat, de manera que la conductivitat augmenta amb la temperatura, el contrari d'un metall.
Q:Quin és el límit superior de temperatura?
R: El silici es fon a 1.414 graus centígrads i manté un comportament útil dels semiconductors molt per sota d'aquest punt, motiu pel qual s'escull per a mòduls d'electrònica i potència d'alta-temperatura.
Q:Com es mesura la resistivitat en la producció?
R: Mitjançant el mètode de sonda en -quatre-punts estandarditzat com a ASTM F84, que s'aplica directament a les hòsties sense danyar-les.
Q:Es pot utilitzar silici de grau-de fosa directament a les cèl·lules solars?
R: No. El silici metal·lúrgic conforme a GB/T 2881-2014 es converteix mitjançant triclorosilà en polisilici; El material de grau electrònic-està cobert per GB/T 12963-2014 i el material de grau solar per GB/T 25074.