سلیکون میٹل برقی چالکتا: میکانزم، ڈیٹا اور ایپلی کیشنز

سلکان کو ایک نیم دھاتی کے طور پر درجہ بندی کیا گیا ہے، اور اس کا برقی رویہ کسی بھی انتہائی کی بجائے ایک انسولیٹر اور کنڈکٹر کے درمیان بیٹھتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ میٹالرجیکل کموڈٹی پوری سیمی کنڈکٹر اور فوٹوولٹک انڈسٹری کی بنیاد بھی ہے۔ سلکان دھات بذات خود ایک اچھا موصل نہیں ہے۔ اس کی افادیت اس حقیقت سے سامنے آتی ہے کہ اس کی چالکتا کو کنٹرولڈ ڈوپنگ کے ذریعے بہت سے آرڈرز پر انجنیئر کیا جا سکتا ہے، اور یہ کہ مواد اس درجہ حرارت پر کام کرتا رہتا ہے جہاں دھاتیں ناکام ہو جاتی ہیں۔

اندرونی رویہ: بینڈ گیپ اور مزاحمتی صلاحیت

کمرے کے درجہ حرارت پر، خالص سلکان میں تقریباً 1.12 الیکٹران وولٹ کا بینڈ گیپ ہوتا ہے، جو اتنا چوڑا ہوتا ہے کہ جوش کی غیر موجودگی میں تقریباً کوئی بھی الیکٹران کنڈکشن بینڈ پر قبضہ نہیں کرتا۔ نتیجہ 25 ڈگری سیلسیس پر تقریباً 2.3 x 10^5 اوہم-سینٹی میٹر کی اندرونی مزاحمتی صلاحیت ہے، جو تانبے سے تقریباً بیس آرڈرز زیادہ ہے۔ 10^10 کیرئیر فی مکعب سینٹی میٹر کی ترتیب کے لحاظ سے اندرونی کیریئر کا ارتکاز اسی طرح کم ہے۔ اس وجہ سے سلکان اپنی خالص حالت میں ایک ناقص موصل ہے، اور اس کی چالکتا کے بارے میں کسی بھی بحث کو ڈوپنگ کی سطح کی وضاحت کرنی ہوگی۔

ڈوپنگ سلیکون کو ورکنگ کنڈکٹر میں بدل دیتی ہے۔

گروپ III یا گروپ V عناصر کو شامل کرنے سے تصویر مکمل طور پر بدل جاتی ہے۔ فاسفورس یا سنکھیا، پانچ والینس الیکٹران کے ساتھ، مفت الیکٹران عطیہ کرتا ہے اور n-قسم کا مواد تیار کرتا ہے۔ بوران، تین والینس الیکٹران کے ساتھ، سوراخ بناتا ہے اور p- قسم کا مواد تیار کرتا ہے۔ ڈوپینٹ کے ارتکاز کے ساتھ مزاحمتی صلاحیت تیزی سے گرتی ہے: ہلکے سے ڈوپڈ ویفر اوہم-سینٹی میٹر کی حد میں بیٹھ سکتا ہے، جب کہ ایک ہیوی ڈوپڈ رابطے والے علاقے کو اسی مواد میں ملیوہم-سینٹی میٹر کی حد تک کم کیا جا سکتا ہے۔ چونکہ مزاحمتی صلاحیت کو براہ راست ویفرز پر ماپا جاتا ہے، ان-لائن فور-پوائنٹ پروب طریقہ کو معیاری بنایا گیا ہے جیسا کہ ASTM F84 ویفر مینوفیکچرنگ میں معمول کی دکان- فلور چیک ہے۔ یہ ٹیون ایبلٹی - خام چالکتا نہیں - ہے جو سیلیکون کو ٹرانزسٹروں، ڈائیوڈس اور مربوط سرکٹس کے لیے بنیادی مواد بناتی ہے۔

درجہ حرارت کا برتاؤ اور تھرمل استحکام

درجہ حرارت بڑھنے کے ساتھ ہی سلکان دھات کے برعکس برتاؤ کرتا ہے۔ دھات میں، جالی کی کمپن زیادہ درجہ حرارت پر کیریئرز کو زیادہ مؤثر طریقے سے بکھیرتی ہے، اس لیے مزاحمت بڑھ جاتی ہے۔ سلیکون میں، تھرمل انرجی میں اضافہ بینڈ گیپ میں زیادہ کیریئرز کو فروغ دیتا ہے، اور کیریئر میں اضافہ نقل و حرکت کے نقصان سے زیادہ ہوتا ہے، لہذا درجہ حرارت کے ساتھ چالکتا بڑھتا ہے۔ سلکان بھی 1,414 ڈگری سیلسیس پر پگھلتا ہے، ایلومینیم یا تانبے کے کنڈکٹرز کی آپریٹنگ رینج سے بہت اوپر، اور یہ وسیع درجہ حرارت کے بینڈ پر مفید سیمی کنڈکٹر رویے کو برقرار رکھتا ہے۔ اس امتزاج کی وجہ سے سلکان ڈیوائسز اور سلکان-مشترک مرکبات کو اعلی-درجہ حرارت والے الیکٹرانکس، انجن اور پاور-ماڈیول ایپلی کیشنز کے لیے منتخب کیا جاتا ہے جہاں دھاتی کنڈکٹر نرم یا آکسیڈائز کرتا ہے۔

جہاں سلیکون کی چالکتا سب سے زیادہ اہمیت رکھتی ہے۔

فوٹو وولٹیکس سب سے بڑی براہ راست ایپلی کیشن ہے: سلکان پورے شمسی سپیکٹرم میں روشنی کو جذب کرتا ہے اور ap{0}}جنکشن کا اندرونی میدان فوٹون کو کرنٹ میں تبدیل کرتے ہوئے پیدا ہونے والے کیریئرز کو الگ کرتا ہے۔ الیکٹرانکس ٹرانزسٹرز، ڈائیوڈس اور انٹیگریٹڈ سرکٹس میں وہی ڈوپڈ مواد استعمال کرتا ہے۔ توانائی کے ذخیرے میں، لیتھیم- آئن سیلز میں سلکان اینوڈز گریفائٹ سے کہیں زیادہ نظریاتی صلاحیت پیش کرتے ہیں، اور اگرچہ حجم کی تبدیلی کو منظم کرنے کے لیے ان کو ملایا جانا ضروری ہے، انوڈ کے ذریعے برقی راستہ ہی فائدہ کو قابل استعمال بناتا ہے۔ الائے سائیڈ پر، ایلومینیم یا کاپر کے ساتھ ملا ہوا سلکان موٹر کاسٹنگ، بیٹری ہاؤسنگ اور ہیٹ سنک میں برقی اور تھرمل ٹرانسفر دونوں کو بہتر بناتا ہے، کیونکہ سلکان فیز تھرمل توسیع اور چالکتا کو ایک ساتھ بدل دیتا ہے۔

میٹالرجیکل سلکان سے لے کر ڈیوائس-گریڈ میٹریل تک

ان ایپلی کیشنز میں سے کوئی بھی سمیلٹر-گریڈ سلکان کا براہ راست استعمال نہیں کرتا ہے۔ GB/T 2881-2014 کے تحت بیان کردہ میٹالرجیکل سلیکون ٹرائکلوروسیلین کے لیے فیڈ اسٹاک ہے، جسے صاف کیا جاتا ہے اور پولی سیلیکون کے طور پر جمع کیا جاتا ہے۔ الیکٹرانک-گریڈ پولی سیلیکون GB/T 12963-2014 میں اور سولر گریڈ پولی سیلیکون GB/T 25074 میں متعین کیا گیا ہے۔ میٹالرجیکل فیڈ اسٹاک میں آئرن، ایلومینیم اور کیلشیم کا پتہ لگانا طے کرتا ہے کہ کیمیکل روٹ کو کتنا پیوریفیکیشن کا کام کرنا چاہیے، جس کی وجہ سے کئی درجے کی لاگت نیچے کی قیمت پر ہوتی ہے۔ فوٹو وولٹک یا الیکٹرانک چین کے لیے سلکان میٹل کے خریداروں کو قیمت کے زمرے کے بجائے گریڈ کوڈ کو پروسیس ان پٹ تفصیلات کے طور پر ماننا چاہیے۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

Q:کیا سلکان میٹل ایک اچھا برقی موصل ہے؟
A: نہیں، اندرونی سلکان کی 25 ڈگری سیلسیس پر تقریباً 2.3 x 10^5 اوہم-سینٹی میٹر کی مزاحمتی صلاحیت ہوتی ہے، جس کی شدت کاپر سے تقریباً بیس آرڈرز زیادہ ہے۔ یہ صرف ڈوپنگ کے بعد مفید طور پر conductive بن جاتا ہے.

Q:ڈوپنگ چالکتا کو کیسے تبدیل کرتی ہے؟
A: فاسفورس یا سنکھیا مفت الیکٹران کے ساتھ n- قسم کا مواد بناتا ہے، اور بوران سوراخوں کے ساتھ p- قسم کا مواد بناتا ہے۔ مزاحمیت ہلکے ڈوپڈ مواد میں اوہم-سینٹی میٹر رینج سے اعلی ڈوپینٹ لیول پر ملیوہم-سینٹی میٹر رینج میں گرتی ہے۔

Q:گرم ہونے پر سلکان کیوں بہتر کام کرتا ہے؟
A: تھرمل انرجی کیریئرز کو 1.12 eV بینڈ کے فرق کو جالیوں کے بکھرنے سے زیادہ تیزی سے فروغ دیتی ہے، اس لیے دھات کے برعکس درجہ حرارت کے ساتھ چالکتا بڑھتا ہے۔

Q:اوپری درجہ حرارت کی حد کیا ہے؟
A: سلیکان 1,414 ڈگری سیلسیس پر پگھلتا ہے اور اس نقطہ سے کافی نیچے مفید سیمی کنڈکٹر رویے کو برقرار رکھتا ہے، یہی وجہ ہے کہ اسے اعلی-درجہ حرارت والے الیکٹرانکس اور پاور ماڈیولز کے لیے منتخب کیا جاتا ہے۔

Q:پیداوار میں مزاحمت کی پیمائش کیسے کی جاتی ہے؟
A: ان-لائن چار-پوائنٹ پروب کے طریقہ کار کے ذریعے ASTM F84 کے طور پر معیاری بنایا گیا ہے، جو براہ راست ویفرز کو نقصان پہنچائے بغیر لاگو کیا جاتا ہے۔

Q:کیا سمیلٹر-گریڈ کا سلکان براہ راست شمسی خلیوں میں استعمال کیا جا سکتا ہے؟
A: نہیں. GB/T 2881-2014 کے مطابق میٹالرجیکل سلکان کو ٹرائکلوروسیلین کے ذریعے پولی سیلیکون میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ الیکٹرانک-گریڈ کا مواد GB/T 12963-2014 اور شمسی گریڈ کا مواد GB/T 25074 میں شامل ہے۔