O silício é classificado como um semimetal e seu comportamento elétrico fica entre um isolante e um condutor, e não em qualquer um dos extremos. Essa posição é a razão pela qual uma commodity metalúrgica também é a base de toda a indústria de semicondutores e fotovoltaica. O silício metálico enviado de uma fundição não é em si um bom condutor; sua utilidade vem do fato de que sua condutividade pode ser projetada em muitas ordens de grandeza por dopagem controlada e de que o material continua funcionando em temperaturas onde os metais falham.
Comportamento Intrínseco: Band Gap e Resistividade
À temperatura ambiente, o silício puro tem um band gap de cerca de 1,12 elétron-volts, que é amplo o suficiente para que quase nenhum elétron ocupe a banda de condução na ausência de excitação. O resultado é uma resistividade intrínseca de aproximadamente 2,3 x 10^5 ohm-centímetros a 25 graus Celsius, cerca de vinte ordens de magnitude maior que a do cobre. A concentração de portadores intrínsecos é correspondentemente baixa, da ordem de 10 ^ 10 portadores por centímetro cúbico. O silício é, portanto, um mau condutor no seu estado puro, e qualquer discussão sobre a sua condutividade deve especificar o nível de dopagem.
| Propriedade | Valor em 300 K |
|---|---|
| Gap de banda | 1,12 eV |
| Resistividade intrínseca | Aproximadamente 2,3 x 10^5 ohm-cm |
| Mobilidade eletrônica | Aproximadamente 1.400 cm2/Vs |
| Mobilidade do furo | Aproximadamente 450 cm2/Vs |
| Condutividade térmica | Aproximadamente 148 W/(mK) |
| Ponto de fusão | 1.414 graus Celsius |
O doping transforma o silício em um condutor funcional
Adicionar elementos do grupo III ou do grupo V muda completamente a imagem. Fósforo ou arsênico, com cinco elétrons de valência, doa elétrons livres e produz material do tipo n-; o boro, com três elétrons de valência, cria buracos e produz material do tipo p-. A resistividade cai rapidamente com a concentração de dopante: um wafer levemente dopado pode ficar na faixa de ohm-centímetros, enquanto uma região de contato fortemente dopada pode ser reduzida para a faixa de miliohm-centímetros no mesmo pedaço de material. Como a resistividade é medida diretamente nos wafers, o método de sondagem de-quatro{8}}pontos em linha, padronizado como ASTM F84, é a verificação de rotina-do chão de fábrica na fabricação de wafers. Essa sintonização - e não a condutividade bruta - é o que torna o silício o material base para transistores, diodos e circuitos integrados.
Comportamento de temperatura e estabilidade térmica
O silício se comporta de maneira oposta a um metal à medida que a temperatura aumenta. Em um metal, as vibrações da rede dispersam os portadores de forma mais eficaz em temperaturas mais altas, de modo que a resistência aumenta. No silício, o aumento da energia térmica promove mais portadores através do band gap, e o aumento do portador supera a perda de mobilidade, de modo que a condutividade aumenta com a temperatura. O silício também derrete a 1.414 graus Celsius, bem acima da faixa operacional dos condutores de alumínio ou cobre, e mantém o comportamento útil do semicondutor em uma ampla faixa de temperatura. Essa combinação é a razão pela qual dispositivos de silício e ligas contendo-silício são selecionados para aplicações de alta-eletrônica, motores e módulos de potência-de alta temperatura, onde um condutor de metal amoleceria ou oxidaria.
Onde a condutividade do silício é mais importante
A energia fotovoltaica é a maior aplicação direta: o silício absorve luz em todo o espectro solar e o campo interno da junção ap-n separa os portadores gerados, convertendo fótons em corrente. A eletrônica usa o mesmo material dopado em transistores, diodos e circuitos integrados. No armazenamento de energia, os ânodos de silício em células de íons de lítio oferecem uma capacidade teórica muito maior do que a grafite e, embora devam ser misturados para gerenciar a mudança de volume, o caminho elétrico através do ânodo é o que torna o ganho utilizável. No lado da liga, o silício ligado com alumínio ou cobre melhora a transferência elétrica e térmica em peças fundidas de motores, carcaças de baterias e dissipadores de calor, porque a fase de silício altera conjuntamente a expansão térmica e a condutividade.
Do silício metalúrgico ao material-de qualidade para dispositivos
Nenhum desses aplicativos consome silício-de grau de fundição diretamente. O silício metalúrgico definido em GB/T 2881-2014 é a matéria-prima para o triclorossilano, que é purificado e depositado como polissilício; O polissilício-de grau eletrônico é especificado na GB/T 12963-2014 e o polissilício de grau solar na GB/T 25074. Traços de ferro, alumínio e cálcio na matéria-prima metalúrgica determinam quanto trabalho de purificação a rota química deve realizar, e é por isso que a seleção do grau na fundição tem uma consequência direta no custo, várias etapas a jusante. Os compradores de silício metálico para a cadeia fotovoltaica ou eletrônica devem tratar o código de classificação como uma especificação de entrada do processo e não como uma categoria de preço.
Perguntas frequentes
Q:O silício metálico é um bom condutor elétrico?
R: Não. O silício intrínseco tem uma resistividade de cerca de 2,3 x 10^5 ohm-cm a 25 graus Celsius, cerca de vinte ordens de magnitude maior que o cobre. Torna-se utilmente condutivo somente após dopagem.
Q:Como o doping altera a condutividade?
R: O fósforo ou o arsênico criam material do tipo n-com elétrons livres, e o boro cria material do tipo-p com buracos. A resistividade cai da faixa de ohm-centímetros em material levemente dopado até a faixa de miliohm-centímetros em altos níveis de dopante.
Q:Por que o silício conduz melhor quando quente?
R: A energia térmica promove os portadores através do intervalo de banda de 1,12 eV mais rapidamente do que o espalhamento da rede reduz sua mobilidade, de modo que a condutividade aumenta com a temperatura, o oposto de um metal.
Q:Qual é o limite superior de temperatura?
R: O silício derrete a 1.414 graus Celsius e mantém o comportamento útil do semicondutor bem abaixo desse ponto, e é por isso que ele é escolhido para componentes eletrônicos e módulos de potência de alta-temperatura.
Q:Como a resistividade é medida na produção?
R: Pelo método de sondagem de-quatro{1}}pontos em linha padronizado como ASTM F84, que é aplicado diretamente em wafers sem danificá-los.
Q:O silício-de grau de fundição pode ser usado diretamente em células solares?
R: Não. O silício metalúrgico em conformidade com GB/T 2881-2014 é convertido através de triclorossilano em polissilício; o material-de grau eletrônico é coberto pela GB/T 12963-2014 e o material de grau solar pela GB/T 25074.