ซิลิคอนเป็นตัวนำไฟฟ้าหรือไม่? ค่าการนำไฟฟ้าซิลิคอนบริสุทธิ์เทียบกับสารเจือ

คำถามสำคัญจึงไม่ใช่เพียงแต่ว่าซิลิคอนสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ มันคือเหตุใดคริสตัลซิลิคอนชนิดเดียวกันจึงสามารถนำไฟฟ้าได้ไม่ดีในสถานะบริสุทธิ์ และมีประโยชน์ทางไฟฟ้ามากขึ้นหลังจากควบคุมสารต้องห้าม.

วัสดุไฟฟ้ามักถูกจัดกลุ่มตามความง่ายของตัวพาประจุที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเหล่านั้นได้ ซิลิคอนตั้งอยู่ระหว่างตัวนำทั่วไปและฉนวนทั่วไป

ดังนั้นการอธิบายซิลิคอนเพียงว่าเป็นตัวนำหรือฉนวนจึงพลาดคุณสมบัติที่สำคัญที่สุด ซิลิคอนเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่พฤติกรรมทางไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงการใช้งานจริงที่กว้างขวาง

ซิลิกอนผลึกบริสุทธิ์มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัว ภายในคริสตัล แต่ละอะตอมของซิลิคอนจะใช้อิเล็กตรอนเหล่านี้ร่วมกับอะตอมข้างเคียงผ่านพันธะโควาเลนต์

เนื่องจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวนมากมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะ จึงมีเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านคริสตัลและนำกระแสไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิห้อง

สิ่งนี้แตกต่างโดยพื้นฐานจากโลหะทั่วไป ซึ่งมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จำนวนมากพร้อมสำหรับการนำไฟฟ้าอยู่แล้ว

ซิลิคอนบริสุทธิ์จึงอ่อนแอทางไฟฟ้าเมื่อเทียบกับตัวนำโลหะทั่วไป แต่ก็ไม่ได้นำไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ พลังงานความร้อนสามารถสร้างอิเล็กตรอนและรูเคลื่อนที่ได้ ทำให้กระแสที่วัดได้ไหลได้

Intrinsic Silicon มีผู้ให้บริการชาร์จฟรีเพียงไม่กี่ราย

เรียกว่าซิลิคอนโดยไม่ใช้สารต้องห้ามโดยเจตนาซิลิคอนภายใน.

พฤติกรรมทางไฟฟ้าของมันขึ้นอยู่กับตัวพาที่สร้างขึ้นภายในตัววัสดุเป็นหลัก ที่อุณหภูมิห้อง ความเข้มข้นของสารเหล่านี้จะค่อนข้างต่ำ ซึ่งทำให้ซิลิคอนภายในมีความต้านทานสูงกว่าตัวนำโลหะที่ดีมาก

ค่าการนำไฟฟ้าภายในที่ต่ำนั้นทำให้เกิดจุดเริ่มต้นที่วิศวกรเซมิคอนดักเตอร์จงใจดัดแปลงวัสดุ

เกรดซิลิคอนอุตสาหกรรมทั่วไป

 

ซิลิคอนเมทัล 441

ซิลิคอนเมทัล 553

ซิลิคอนเมทัล 3303

การเติมสารต้องห้ามเป็นกลไกที่เปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าภายในที่ต่ำของซิลิคอนให้เป็นคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ควบคุมได้

การโด๊ปไม่ได้ทำให้ซิลิคอนกลายเป็นโลหะอะตอมที่เลือกสรรมาอย่างพิถีพิถันจะถูกใส่เข้าไปในผลึกซิลิคอนเพื่อเปลี่ยนจำนวนและประเภทของตัวพาประจุที่มีอยู่

N-ประเภทซิลิคอนเพิ่มตัวพาประจุอิเล็กตรอน

ซิลิคอนชนิด N- ผลิตขึ้นโดยใช้สารเจือปนของผู้บริจาค เช่น ฟอสฟอรัสหรือสารหนู

อะตอมเหล่านี้ให้อิเล็กตรอนเพิ่มเติมที่สามารถมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้าได้ง่ายกว่าอิเล็กตรอนที่ผูกติดอยู่กับโครงสร้างพันธะซิลิคอนปกติ

เป็นผลให้อิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ในซิลิคอนชนิด N-.

P-ประเภทซิลิคอนสร้างตัวพาประจุแบบรู

ซิลิคอนชนิด P- ใช้สารเจือปนของตัวรับ เช่น โบรอนหรือแกลเลียม

สารเจือปนเหล่านี้ทำให้เกิดการขาดอิเล็กตรอนในโครงตาข่ายคริสตัล ตำแหน่งงานว่างเหล่านี้อธิบายว่าเป็นหลุมและทำตัวเป็นพาหะประจุบวก

ในซิลิคอนชนิด P- รูจะกลายเป็นพาหะส่วนใหญ่

ความสามารถในการสร้างขอบเขตประเภท N- และประเภท P- มีความสำคัญมากกว่าการทำให้ซิลิคอน "เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า" ได้มากขึ้น ช่วยให้สามารถออกแบบพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันในส่วนต่างๆ ของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์เดียวกันได้

ไม่มีค่าการนำไฟฟ้าเพียงค่าเดียวที่แสดงถึงวัสดุซิลิกอนทุกชนิด

ค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสภาวะของวัสดุที่กำลังวัด

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิการนำไฟฟ้าของซิลิคอน

เมื่ออุณหภูมิของซิลิคอนภายในเพิ่มขึ้น ประจุพาหะก็จะเพิ่มมากขึ้น

โดยทั่วไปแล้วค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ นี่เป็นข้อแตกต่างที่สำคัญจากตัวนำโลหะทั่วไป ซึ่งโดยปกติแล้วความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่อวัสดุร้อนขึ้น

ความบริสุทธิ์และความเข้มข้นของสารเจือปนจะเปลี่ยนความต้านทานของซิลิคอน

ความบริสุทธิ์ทางเคมีที่สูงขึ้นไม่ได้หมายถึงค่าการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยอัตโนมัติ

ซิลิคอนภายในที่บริสุทธิ์มากสามารถมีความต้านทานได้ค่อนข้างสูงเนื่องจากมีพาหะประจุเพียงไม่กี่ตัว

เมื่อเติมสารเจือปนที่ได้รับการควบคุมแล้ว ความเข้มข้นของตัวพาจะเปลี่ยนแปลงและค่าการนำไฟฟ้าสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่มีความหมายจึงต้องแยกแยะความแตกต่างความบริสุทธิ์จากความเข้มข้นของสารเจือปน.

ข้อบกพร่องของคริสตัลอาจส่งผลต่อพฤติกรรมทางไฟฟ้าของซิลิคอน

ข้อบกพร่องของคริสตัล ขอบเขตของเกรน และการปนเปื้อนอาจส่งผลต่อการที่ตัวพาประจุเคลื่อนที่ผ่านซิลิคอน

นี่คือเหตุผลว่าทำไมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จึงไม่ได้ระบุเฉพาะความบริสุทธิ์ของธาตุเท่านั้น คุณภาพของคริสตัล การควบคุมสารเจือปน และความต้านทานไฟฟ้าก็มีความสำคัญเช่นกัน

ซิลิคอนกลายเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากสามารถออกแบบการนำไฟฟ้าได้ ไม่ใช่เพราะมันนำไฟฟ้าได้ดีมากตามธรรมชาติ

ด้วยการสร้างบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวพาที่ควบคุม ซิลิคอนสามารถรองรับโครงสร้างทางไฟฟ้าที่ใช้ใน:

• ทรานซิสเตอร์
• วงจรรวม
• ชิปคอมพิวเตอร์
• เซลล์แสงอาทิตย์
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ทรัพย์สินที่มีประโยชน์จึงเป็นการนำไฟฟ้าควบคุม: วิศวกรจงใจสร้างขอบเขตที่ตอบสนองต่อสภาวะทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันภายในอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน{0}}เดียวกัน

โลหะซิลิคอนอุตสาหกรรมและซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์-ต่างก็มีองค์ประกอบ Si แต่ไม่สามารถใช้แทนกันได้

ตัวอย่างเช่น เกรดอุตสาหกรรม เช่น โลหะซิลิคอน 553 และ 441 โดยปกติจะมีความแตกต่างกันด้วยองค์ประกอบทางเคมีทางโลหะวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งขีดจำกัดของ Fe, Al และ Ca

คุณสามารถเห็นความแตกต่างนี้ในตัวเรา การเปรียบเทียบเกรดซิลิคอนอุตสาหกรรม .

ตัวเลขเกรดเหล่านั้นไม่ได้บอกคุณถึงความเข้มข้นของสารเจือปนหรือความต้านทานไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการใช้เซมิคอนดักเตอร์

ในงานจัดหาซิลิคอนของเรา เราได้แยกแยะองค์ประกอบทางเคมีของโลหะวิทยาออกจาก-ข้อกำหนดด้านทรัพย์สินทางไฟฟ้า หากกระบวนการดาวน์สตรีมของคุณขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้า ความบริสุทธิ์ ระดับสารเจือปน หรือความต้านทานไฟฟ้า ควรยืนยันพารามิเตอร์เหล่านั้นแยกกัน แทนที่จะอนุมานจากเกรดโลหะซิลิคอนมาตรฐาน

ซิลิคอนบริสุทธิ์คือไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่ดีเมื่อเทียบกับตัวนำทองแดง อลูมิเนียม หรือโลหะอื่นๆ ทั่วไป

ความสำคัญของมันมาจากคุณสมบัติที่แตกต่างกัน: การนำไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยเจตนาโดยการควบคุมตัวพาประจุ

ซิลิคอนภายในเริ่มต้นจากผู้ให้บริการมือถือจำนวนไม่มาก การโด๊ปประเภท N- จะเพิ่มอิเล็กตรอนที่มีอยู่ ในขณะที่การโด๊ปประเภท P- ทำให้เกิดรู อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารเจือปน ความบริสุทธิ์ และคุณภาพของผลึกจะส่งผลต่อค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้าขั้นสุดท้ายต่อไป

นี่คือเหตุผลว่าทำไมคำถามที่ว่า "ซิลิคอนนำไฟฟ้าหรือไม่" มีคำตอบง่ายๆ แต่มีคุณสมบัติที่สำคัญคือ