Szybka odpowiedź: czy krzem jest przewodnikiem?
Krzem przewodzi prąd, ale nie jest dobrym przewodnikiem jak miedź czy aluminium.Czysty krystaliczny krzem ma stosunkowo niską przewodność elektryczną w temperaturze pokojowej, dlatego jest klasyfikowany jako:półprzewodnik. Jego przewodność może znacznie się zmienić, gdy zmienia się temperatura, czystość lub stężenie domieszki. Ta zdolność do kontrolowania nośników ładunku, zamiast po prostu osiągania bardzo wysokiej przewodności, sprawia, że krzem jest przydatny w urządzeniach półprzewodnikowych.
Ważnym pytaniem jest zatem nie tylko to, czykrzemmoże przenosić prąd. To jestdlaczego ten sam kryształ krzemu może słabo przewodzić w stanie czystym i stać się znacznie bardziej użyteczny elektrycznie po kontrolowanym domieszkowaniu.
Krzem jest półprzewodnikiem, a nie typowym przewodnikiem lub izolatorem
Materiały elektryczne są często grupowane według łatwości przemieszczania się przez nie nośników ładunku. Krzem znajduje się pomiędzy typowym przewodnikiem a typowym izolatorem.
| Rodzaj materiału | Zachowanie elektryczne | Główna różnica |
| Dyrygent | Prąd przepływa stosunkowo łatwo | Dostępnych jest wielu operatorów sieci komórkowych |
| Izolator | Silnie przeciwstawia się przepływowi prądu | Bardzo niewiele dostępnych nośników ładunku w normalnych warunkach |
| Półprzewodnik | Przewodność może wahać się od bardzo niskich do znacznie wyższych wartości | Stężenie nośnika można celowo kontrolować |
| Krzem | Zachowanie półprzewodników | Przewodność zależy w dużym stopniu od domieszkowania i warunków pracy |
Zatem opisywanie krzemu po prostu jako przewodnika lub izolatora pomija najważniejszą właściwość. Krzem jest półprzewodnikiem, którego zachowanie elektryczne można zmieniać w szerokim praktycznym zakresie.
Dlaczego czysty krzem słabo przewodzi prąd
Czysty krystaliczny krzem ma cztery elektrony walencyjne. Wewnątrz kryształu każdy atom krzemu dzieli te elektrony z sąsiednimi atomami poprzez wiązania kowalencyjne.
Ponieważ wiele elektronów walencyjnych bierze udział w wiązaniach, stosunkowo niewiele z nich może swobodnie poruszać się po krysztale i przenosić prąd w temperaturze pokojowej.
Różni się to zasadniczo od typowego metalu, w którym do przewodzenia dostępna jest już znacznie większa populacja ruchomych elektronów.
Czysty krzem jest zatem słaby elektrycznie w porównaniu ze zwykłymi przewodnikami metalowymi, ale nie jest całkowicie nieprzewodzący. Energia cieplna może tworzyć ruchome elektrony i dziury, umożliwiając przepływ mierzalnego prądu.
Wewnętrzny krzem ma niewiele wolnych nośników ładunku
Nazywa się krzem bez zamierzonego domieszkowaniawewnętrzny krzem.
Jego zachowanie elektryczne zależy głównie od nośników generowanych w samym materiale. W temperaturze pokojowej ich stężenie jest stosunkowo niskie, co daje wewnętrznemu krzemowi znacznie wyższą rezystywność niż dobry przewodnik metaliczny.
Ta niska przewodność wewnętrzna stanowi punkt wyjścia, od którego inżynierowie półprzewodników celowo modyfikują materiał.
Typowe gatunki krzemu przemysłowego
Krzem metaliczny 441
Krzem metaliczny 553
Krzem metaliczny 3303
Doping kontroluje przewodność elektryczną krzemu
Domieszkowanie to mechanizm, który przekształca niską przewodność wewnętrzną krzemu w kontrolowaną właściwość elektryczną.
Doping nie powoduje przekształcenia krzemu w metal.Zamiast tego do kryształu krzemu wprowadzane są starannie wybrane atomy, aby zmienić liczbę i rodzaj dostępnych nośników ładunku.
Krzem typu N- dodaje nośniki ładunku elektronów
Krzem typu N- jest wytwarzany przy użyciu domieszek dawców, takich jak fosfor lub arsen.
Atomy te dostarczają dodatkowych elektronów, które mogą łatwiej uczestniczyć w przewodzeniu elektrycznym niż elektrony związane w normalnej strukturze wiązania krzemu.
W rezultacieelektrony są większością nośników ładunku w krzemie typu N-.
Krzem typu P-tworzy dziurowe nośniki ładunku
Krzem-typu P wykorzystuje domieszki akceptorowe, takie jak bor lub gal.
Domieszki te powodują niedobory elektronów w sieci krystalicznej. Te wolne miejsca pracy są opisane jakodziuryi zachowują się jak nośniki ładunku dodatniego.
W krzemie typu P-dziury stają się nośnikami większościowymi.
| Typ silikonowy | Typowa domieszka | Przewoźnik większościowy | Efekt elektryczny |
| N-Wpisz krzem | Fosfor / Arsen | Elektrony | Zwiększa dostępne nośniki elektronów |
| P-Wpisz krzem | Bor / gal | Dziury | Tworzy mobilne nośniki otworów |
Możliwość tworzenia obszarów typu N-i P-jest ważniejsza niż samo uczynienie krzemu „bardziej przewodzącym”. Pozwala to na odmienne zaprojektowanie zachowania elektrycznego w różnych częściach tej samej struktury półprzewodnikowej.
Przewodność krzemu zmienia się wraz z temperaturą, czystością i jakością kryształów
Nie ma jednej wartości przewodności elektrycznej reprezentującej każdy materiał krzemowy.
Przewodność i rezystywność zależą od stanu mierzonego materiału.
Temperatura zmienia przewodność krzemu
Wraz ze wzrostem temperatury wewnętrznego krzemu dostępnych może być więcej nośników ładunku.
Dlatego jego przewodność na ogół wzrasta wraz z temperaturą. Jest to istotna różnica w porównaniu z typowymi przewodnikami metalowymi, w których opór zwykle wzrasta wraz ze wzrostem temperatury materiału.
Czystość i stężenie domieszki zmieniają oporność krzemu
Wyższa czystość chemiczna nie oznacza automatycznie wyższej przewodności elektrycznej.
Bardzo czysty krzem wewnętrzny może mieć stosunkowo wysoką rezystywność właśnie dlatego, że zawiera niewiele nośników ładunku.
Po dodaniu kontrolowanych domieszek zmiany stężenia nośnika i przewodności mogą znacznie wzrosnąć. Należy zatem rozróżnić znaczącą specyfikację elektrycznączystośćzstężenie domieszki.
Wady kryształów mogą wpływać na zachowanie elektryczne krzemu
Defekty kryształów, granice ziaren i zanieczyszczenia mogą wpływać na sposób przemieszczania się nośników ładunku przez krzem.
Dlatego materiału półprzewodnikowego nie określa się wyłącznie na podstawie czystości elementarnej. Jakość kryształów, kontrola domieszki i oporność również mogą mieć kluczowe znaczenie.
Czy krzem przewodzi?
Czysty krzem jest słabo przewodzący w temperaturze pokojowej. Domieszkowany krzem może być znacznie bardziej przewodzący, ale nadal zachowuje się jak półprzewodnik, a nie jak konwencjonalny przewodnik metalowy.
Kontrolowana przewodność krzemu umożliwia stosowanie urządzeń półprzewodnikowych
Krzem stał się podstawą elektroniki, ponieważ można zaprojektować jego przewodność, a nie dlatego, że w naturalny sposób doskonale przewodzi prąd.
Tworząc obszary o kontrolowanych stężeniach nośników, krzem może wspierać struktury elektryczne stosowane w:
- Tranzystory
- Układy scalone
- Chipy komputerowe
- Ogniwa słoneczne
- Urządzenia półprzewodnikowe
Użyteczną właściwością jest zatemkontrolowana przewodność: inżynierowie mogą celowo tworzyć obszary, które w różny sposób reagują na warunki elektryczne w tym samym urządzeniu-opartym na krzemie.
Przemysłowy krzemometal i półprzewodnik-Krzem ma różne specyfikacje
Krzem przemysłowy Metal i krzem-półprzewodnikowy opierają się na pierwiastku Si, ale nie są wymiennymi materiałami elektrycznymi.
| Tworzywo | Typowa rola | Specyfikacja Fokus |
| Metalurgiczny-metal krzemowy | Surowiec przemysłowy i surowiec wydobywczy | Stopień, limity Fe / Al / Ca, wielkość cząstek i COA partii |
| Polikrzem o wysokiej-czystości | Surowiec o wysokiej-czystości do dalszego przetwarzania | Znacznie ściślejsza kontrola zanieczyszczeń i czystości |
| Półprzewodnik-Krzem krystaliczny klasy | Kontrolowany elektroniczny materiał półprzewodnikowy | Jakość kryształów, stężenie domieszki, oporność i czystość-elektroniczna |
Na przykład gatunki przemysłowe, takie jak Silicon Metal 553 i 441, są zwykle rozróżniane na podstawie metalurgicznego składu chemicznego, w szczególności wartości granicznych Fe, Al i Ca.
U nas widać tę różnicę porównanie jakości krzemu przemysłowego .
Te numery klas nie mówią o stężeniu domieszki ani oporności wymaganej do stosowania półprzewodników.
W naszej pracy związanej z dostawami krzemu odróżniamy metalurgiczny skład chemiczny od wymagań-właściwości elektrycznych. Jeśli dalszy proces zależy od przewodności, czystości, poziomu domieszki lub rezystywności, parametry te należy potwierdzić osobno, a nie wywnioskować na podstawie standardowego gatunku krzemowometalu.
Czy zatem krzem jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego?
Czysty krzem jestnie jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznegow porównaniu z miedzią, aluminium lub innymi powszechnie stosowanymi przewodnikami metalowymi.
Jego znaczenie wynika z innej właściwości: przewodność można celowo zmieniać poprzez kontrolowanie nośników ładunku.
Wewnętrzny krzem zaczyna się od stosunkowo niewielkiej liczby nośników komórkowych. Domieszkowanie typu N- zwiększa dostępne elektrony, podczas gdy domieszkowanie typu P- tworzy dziury. Temperatura, stężenie domieszki, czystość i jakość kryształów dodatkowo wpływają na końcową przewodność i rezystywność.
Stąd pytanie „Czy krzem przewodzi prąd?” ma prostą odpowiedź, ale z ważnym zastrzeżeniem:
Tak, krzem przewodzi prąd. Jednak jego definiującą właściwością elektryczną jest kontrolowana przewodność półprzewodników, a nie naturalnie wysoka przewodność metalu.
Często zadawane pytania dotyczące przewodności krzemu
P: Czy 100% czysty krzem przewodzi?
O: Tak. Czysty krystaliczny krzem może przewodzić prąd, ale jego przewodność jest stosunkowo niska w temperaturze pokojowej, ponieważ wewnętrzny krzem zawiera niewiele ruchomych nośników ładunku. Pozostaje raczej półprzewodnikiem niż typowym przewodnikiem metalicznym.
P: Czy krzem przewodzi prąd, gdy jest stały?
O: Tak. Stały krystaliczny krzem przewodzi prąd, ale jego przewodność zależy w dużym stopniu od temperatury, czystości, stężenia domieszki i stanu kryształów. Czysty, wewnętrzny krzem przewodzi znacznie mniej skutecznie niż zwykłe przewodniki metaliczne.
P: Czy krzem jest dobrym izolatorem?
Odp.: Krzem zwykle nie jest klasyfikowany jako typowy izolator elektryczny. Jest to półprzewodnik. W pewnych warunkach czysty krzem może mieć niską przewodność, ale jego przewodność może znacznie się zmienić pod wpływem domieszkowania i temperatury.
P: Jaka jest przewodność elektryczna krzemu w S/m?
Odp.: Krzem nie ma jednej wartości przewodności elektrycznej, która miałaby znaczenie bez warunków testowych. Przewodność zależy w dużym stopniu od temperatury, czystości, stężenia domieszki i jakości kryształów, dlatego wartość S/m należy zawsze podawać wraz ze stanem materiału.
Chcesz potwierdzić specyfikację krzemu do zastosowań elektrycznych?
Prześlij nam wymaganą czystość, rezystywność lub dalszy proces. Możemy najpierw rozróżnić, czy wymaganie dotyczy standardowego krzemu przemysłowego, materiału krzemowego-o wyższej czystości, czy też specyfikacji ściśle kontrolowanej.
Omów wymagania dotyczące krzemu
