هل السيليكون موصل؟ موصلية السيليكون النقية والمخدرة

وبالتالي فإن السؤال المهم ليس فقط ما إذا كانالسيليكونيمكن أن تحمل التيار. إنهالماذا يمكن لبلورة السيليكون نفسها أن تتصرف بشكل سيء في حالتها النقية وتصبح أكثر فائدة كهربائيا بعد المنشطات الخاضعة للرقابة.

غالبًا ما يتم تجميع المواد الكهربائية حسب مدى سهولة تحرك ناقلات الشحن من خلالها. يقع السيليكون بين موصل نموذجي وعازل نموذجي.

لذا فإن وصف السيليكون ببساطة بأنه موصل أو عازل يفتقد الخاصية الأكثر أهمية. السيليكون هو أحد أشباه الموصلات التي يمكن تغيير سلوكها الكهربائي على نطاق عملي واسع.

يحتوي السيليكون البلوري النقي على أربعة إلكترونات تكافؤ. داخل البلورة، تتشارك كل ذرة سيليكون هذه الإلكترونات مع الذرات المجاورة من خلال روابط تساهمية.

نظرًا لأن العديد من إلكترونات التكافؤ تشارك في عملية الترابط، فإن عددًا قليلًا نسبيًا منها يكون حرًا في التحرك عبر البلورة وحمل التيار في درجة حرارة الغرفة.

وهذا يختلف جوهريًا عن المعدن النموذجي، حيث يتوفر بالفعل عدد أكبر بكثير من الإلكترونات المتحركة للتوصيل.

وبالتالي فإن السيليكون النقي ضعيف كهربائيًا مقارنة بالموصلات المعدنية الشائعة، لكنه ليس غير موصل تمامًا. يمكن للطاقة الحرارية أن تخلق إلكترونات وفجوات متحركة، مما يسمح بتدفق تيار قابل للقياس.

يحتوي السيليكون الجوهري على عدد قليل من حاملات الشحن المجانية

يسمى السيليكون بدون المنشطات المتعمدةالسيليكون الجوهري.

ويعتمد سلوكها الكهربائي بشكل أساسي على الناقلات المتولدة داخل المادة نفسها. في درجة حرارة الغرفة، يكون تركيزها منخفضًا نسبيًا، مما يعطي السيليكون الداخلي مقاومة أعلى بكثير من الموصل المعدني الجيد.

تخلق هذه الموصلية الجوهرية المنخفضة نقطة البداية التي يقوم مهندسو أشباه الموصلات بتعديل المادة عن عمد.

درجات السيليكون الصناعية الشائعة

 

معدن السيليكون 441

معدن السيليكون 553

معدن السيليكون 3303

المنشطات هي الآلية التي تحول الموصلية الجوهرية المنخفضة للسيليكون إلى خاصية كهربائية يمكن التحكم فيها.

المنشطات لا تحول السيليكون إلى معدن.وبدلاً من ذلك، يتم إدخال ذرات مختارة بعناية في بلورة السيليكون لتغيير عدد ونوع حاملات الشحنة المتاحة.

N-يضيف نوع السيليكون حاملات شحنة الإلكترون

يتم إنتاج السيليكون من النوع N- باستخدام المنشطات المانحة مثل الفوسفور أو الزرنيخ.

توفر هذه الذرات إلكترونات إضافية يمكنها المشاركة في التوصيل الكهربائي بسهولة أكبر من الإلكترونات المقيدة في بنية رابطة السيليكون الطبيعية.

نتيجة ل،تمثل الإلكترونات غالبية حاملات الشحنة في السيليكون من النوع N-..

P-يُنشئ النوع السيليكون حاملات شحن مثقوبة

يستخدم النوع P-السيليكون مواد متقبلة مثل البورون أو الغاليوم.

تخلق هذه المنشطات نقصًا إلكترونيًا في الشبكة البلورية. يتم وصف هذه الوظائف الشاغرة بأنهاالثقوبوتتصرف كحاملات للشحنة الإيجابية.

في السيليكون من النوع P-، تصبح الثقوب هي حاملات الأغلبية.

تعد القدرة على إنشاء مناطق النوع -النوع N-والنوع أكثر أهمية من مجرد جعل السيليكون "أكثر موصلية". فهو يسمح بهندسة السلوك الكهربائي بشكل مختلف في أجزاء مختلفة من نفس هيكل أشباه الموصلات.

لا توجد قيمة واحدة للتوصيل الكهربائي تمثل كل مادة من مادة السيليكون.

تعتمد الموصلية والمقاومة على حالة المادة التي يتم قياسها.

تغيرات درجة الحرارة موصلية السيليكون

مع زيادة درجة حرارة السيليكون الجوهري، يمكن أن يصبح المزيد من حاملات الشحنة متاحًا.

وبالتالي فإن موصليتها تزداد بشكل عام مع درجة الحرارة. وهذا فرق مهم عن الموصلات المعدنية النموذجية، حيث ترتفع المقاومة عادة عندما تصبح المادة أكثر سخونة.

النقاء وتركيز المنشطات يغيران مقاومة السيليكون

لا يعني ارتفاع النقاء الكيميائي تلقائيًا توصيلًا كهربائيًا أعلى.

يمكن أن يتمتع السيليكون الجوهري النقي جدًا بمقاومة عالية نسبيًا على وجه التحديد لأنه يحتوي على عدد قليل من حاملات الشحنة.

بمجرد إضافة المنشطات الخاضعة للرقابة، يمكن أن يتغير تركيز الناقل والموصلية بشكل كبير. لذلك يجب أن تميز المواصفات الكهربائية ذات المعنىنقاءمنتركيز المنشطات.

يمكن أن تؤثر عيوب الكريستال على سلوك السيليكون الكهربائي

يمكن أن تؤثر العيوب البلورية وحدود الحبوب والتلوث على كيفية تحرك حاملات الشحنة عبر السيليكون.

ولهذا السبب لا يتم تحديد مادة أشباه الموصلات فقط من خلال نقاء العناصر. يمكن أيضًا أن تكون جودة البلورة والتحكم في المنشطات والمقاومة أمرًا بالغ الأهمية.

أصبح السيليكون عنصرًا أساسيًا في الإلكترونيات لأنه يمكن تصميم موصليته، وليس لأنه يوصل الكهرباء بشكل طبيعي بشكل جيد للغاية.

من خلال إنشاء مناطق ذات تركيزات حاملة يمكن التحكم فيها، يمكن للسيليكون دعم الهياكل الكهربائية المستخدمة في:

• الترانزستورات
• الدوائر المتكاملة
• رقائق الكمبيوتر
• الخلايا الشمسية
• أجهزة أشباه الموصلات

الخاصية المفيدة هي بالتاليالموصلية التي تسيطر عليها: يمكن للمهندسين إنشاء مناطق تستجيب بشكل مختلف للظروف الكهربائية داخل نفس الجهاز الذي يعتمد على السيليكون.

السيليكون الصناعي يعتمد كل من معدن السيليكون وأشباه الموصلات- على عنصر Si، إلا أنهما ليسا مواد كهربائية قابلة للتبديل.

على سبيل المثال، يتم عادةً التمييز بين الدرجات الصناعية مثل معدن السيليكون 553 و441 من خلال التركيب الكيميائي المعدني، وخاصة حدود الحديد والألمنيوم والكالسيوم.

يمكنك أن ترى هذا الاختلاف في لدينا مقارنة درجة السيليكون الصناعية .

لا تخبرك أرقام الدرجات هذه بتركيز المنشطات أو المقاومة المطلوبة لاستخدام أشباه الموصلات.

في أعمال توريد السيليكون لدينا، نميز بين التركيب الكيميائي المعدني ومتطلبات الخصائص الكهربائية. إذا كانت العملية النهائية لديك تعتمد على الموصلية، أو النقاء، أو مستوى الإشابة أو المقاومة، فيجب تأكيد هذه المعلمات بشكل منفصل بدلاً من استنتاجها من درجة معدن السيليكون القياسية.

السيليكون النقي هوليس موصلًا جيدًا للكهرباءمقارنة بالنحاس أو الألومنيوم أو الموصلات المعدنية الشائعة الأخرى.

وتأتي أهميتها من خاصية مختلفة: يمكن تغيير الموصلية عمدًا عن طريق التحكم في حاملات الشحنة.

يبدأ السيليكون الجوهري بعدد قليل نسبيًا من شركات الاتصالات المتنقلة. تعمل عملية التشويب من النوع N- على زيادة الإلكترونات المتاحة، بينما تعمل عملية التشويب من النوع P- على إنشاء ثقوب. تؤثر درجة الحرارة وتركيز المنشطات والنقاء والجودة البلورية بشكل أكبر على الموصلية النهائية والمقاومة.

وهذا هو سبب السؤال "هل يوصل السيليكون الكهرباء؟" لديه إجابة بسيطة ولكن مؤهل مهم: