シリコンは導体ですか?純粋なシリコンとドープされたシリコンの導電性

したがって、重要な問題は、シリコン電流を流すことができます。それはなぜ同じシリコン結晶が純粋な状態では導電性が低いのに、ドーピングを制御すると電気的により有用になるのか.

電気材料は、多くの場合、電荷キャリアがその中を移動しやすいかどうかによってグループ化されます。シリコンは、典型的な導体と典型的な絶縁体の間に位置します。

したがって、シリコンを単に導体または絶縁体として説明することは、最も重要な特性を見逃してしまいます。シリコンは、実用的な広い範囲にわたって電気的挙動を変化させることができる半導体です。

純粋な結晶シリコンには 4 つの価電子があります。結晶の内部では、各シリコン原子が共有結合を通じてこれらの電子を隣接する原子と共有します。

価電子の多くは結合に関与しているため、結晶中を自由に移動して室温で電流を流すものは比較的少数です。

これは、はるかに多くの可動電子がすでに伝導に利用できる典型的な金属とは根本的に異なります。

したがって、純粋なシリコンは一般的な金属導体と比較して電気的に弱いですが、完全に非導電性ではありません。熱エネルギーにより可動性の電子と正孔が生成され、測定可能な電流が流れるようになります。

真性シリコンには自由な電荷キャリアがほとんどありません

意図的にドーピングされていないシリコンを「シリコン」と呼びます。真性シリコン.

その電気的挙動は主に材料自体内で生成されるキャリアに依存します。室温では、それらの濃度は比較的低いため、真性シリコンの抵抗率は良好な金属導体よりもはるかに高くなります。

この低い固有導電率は、半導体エンジニアが意図的に材料を変更する出発点となります。

一般的な工業用シリコングレード

 

シリコンメタル441

シリコンメタル553

シリコンメタル 3303

ドーピングは、シリコンの低い固有導電率を制御可能な電気特性に変えるメカニズムです。

ドーピングによってシリコンが金属に変わるわけではありません。代わりに、慎重に選択された原子がシリコン結晶に導入され、利用可能な電荷キャリアの数と種類が変化します。

N- 型シリコンが電子電荷キャリアを追加

N- 型シリコンは、リンやヒ素などのドナー ドーパントを使用して生成されます。

これらの原子は、通常のシリコン結合構造に結合されている電子よりも容易に電気伝導に関与できる追加の電子を提供します。

結果として、電子は N- 型シリコンの大半の電荷キャリアです.

P- 型シリコンは正孔電荷キャリアを生成します

P- 型シリコンは、ホウ素やガリウムなどのアクセプター ドーパントを使用します。

これらのドーパントは結晶格子内に電子欠損を引き起こします。これらの欠員は次のように説明されます穴正の電荷キャリアとして動作します。

P- 型シリコンでは、正孔が多数キャリアになります。

N- 型領域と P- 型領域を作成できることは、シリコンを単に「導電性を高める」ことよりも重要です。これにより、同じ半導体構造の異なる部分で電気的動作を異なるように設計することができます。

すべてのシリコン材料を表す単一の導電率値はありません。

導電率と抵抗率は、測定対象の材料の状態によって異なります。

温度変化によるシリコンの導電率

真性シリコンの温度が上昇すると、より多くの電荷キャリアが利用可能になります。

したがって、その導電率は一般に温度とともに増加します。これは、通常、材料が熱くなると抵抗が上昇する一般的な金属導体との重要な違いです。

純度とドーパント濃度によりシリコンの抵抗率が変化する

化学純度が高いからといって、自動的に電気伝導率が高いというわけではありません。

非常に純粋な真性シリコンは、電荷キャリアをほとんど含まないため、比較的高い抵抗率を持つことができます。

制御されたドーパントが追加されると、キャリア濃度が変化し、導電率が大幅に増加する可能性があります。したがって、意味のある電気仕様では区別する必要があります。純度からドーパント濃度.

結晶欠陥はシリコンの電気的動作に影響を与える可能性がある

結晶欠陥、粒界、汚染は、電荷キャリアがシリコン内を移動する方法に影響を与える可能性があります。

このため、半導体材料は元素純度だけで特定されるわけではありません。結晶の品質、ドーパントの制御、抵抗率も重要です。

シリコンがエレクトロニクスの基礎となったのは、シリコンが自然に非常によく電気を通すからではなく、その導電率を操作できるからです。

キャリア濃度が制御された領域を作成することにより、シリコンは以下で使用される電気構造をサポートできます。

• トランジスタ
• 集積回路
• コンピュータチップ
• 太陽電池
• 半導体デバイス

したがって、有用なプロパティは次のようになります。制御された導電率: エンジニアは、同じシリコン ベースのデバイス内で電気的条件に対して異なる反応を示す領域を意図的に作成できます。-

工業用シリコン金属と半導体グレードのシリコン-はどちらも元素 Si をベースとしていますが、互換性のある電気材料ではありません。

たとえば、シリコンメタル 553 や 441 などの工業用グレードは、通常、冶金学的化学組成、特に Fe、Al、Ca の制限によって区別されます。

この違いは、 工業用シリコングレードの比較 .

これらのグレード番号は、半導体用途に必要なドーパント濃度や抵抗率を示すものではありません。

当社のシリコン供給業務では、冶金学的化学組成と電気特性要件を区別しています。{0}}下流プロセスが導電率、純度、ドーパント レベル、または抵抗率に依存する場合、これらのパラメータは標準のシリコン メタル グレードから推測するのではなく、個別に確認する必要があります。

ピュアシリコンは良い導電体ではありません銅、アルミニウム、その他の一般的な金属導体と比較して。

その重要性は別の特性から来ています。つまり、電荷キャリアを制御することで導電率を意図的に変えることができます。

真性シリコンは比較的少数の携帯通信会社から始まります。 N- 型ドーピングは利用可能な電子を増加させますが、P- 型ドーピングは正孔を生成します。温度、ドーパント濃度、純度、結晶品質は、最終的な導電率と抵抗率にさらに影響します。

これが、「シリコンは電気を通すのか？」という疑問の理由です。答えは簡単ですが、重要な条件があります。