Hallo! Als Lieferant von 12-Zoll-Siliziumwafern werde ich oft nach deren thermoelektrischen Eigenschaften gefragt. Tauchen wir also ein und erkunden wir, was diese Wafer im Hinblick auf die Thermoelektrizität so besonders macht.
Zunächst einmal: Was genau ist Thermoelektrizität? Nun, es geht um den Zusammenhang zwischen Temperaturunterschieden und elektrischer Spannung. Wenn über einem Material ein Temperaturgradient herrscht, kann es eine elektrische Spannung erzeugen und umgekehrt. Diese Eigenschaft ist in einer Reihe von Anwendungen äußerst nützlich, beispielsweise bei thermoelektrischen Generatoren, die Wärme in Elektrizität umwandeln, und bei Peltier-Kühlern, die Elektrizität verwenden, um einen Temperaturunterschied zu erzeugen.
Lassen Sie uns nun über Silizium sprechen. Silizium ist ein Halbleiter und seine thermoelektrischen Eigenschaften werden von einigen Schlüsselfaktoren beeinflusst. Einer der wichtigsten ist seine Kristallstruktur. 12-Zoll-Siliziumwafer bestehen normalerweise aus einkristallinem Silizium, das eine hochgeordnete Atomanordnung aufweist. Diese geordnete Struktur beeinflusst, wie sich Wärme und Elektronen durch das Material bewegen.
In einkristallinem Silizium erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Gitterschwingungen, sogenannte Phononen. Die regelmäßige Anordnung der Atome im Kristallgitter ermöglicht den Phononen eine relativ freie Bewegung. Aber auch Elektronen spielen bei der Wärmeübertragung eine Rolle. In Silizium können Elektronen sowohl Wärme als auch Elektrizität transportieren. Die Bewegung der Elektronen wird durch die Energiebänder im Halbleiter beeinflusst. Silizium hat eine Bandlücke, die der Energiedifferenz zwischen dem Valenzband (wo Elektronen an Atome gebunden sind) und dem Leitungsband (wo sich Elektronen frei bewegen können) entspricht.
Die thermoelektrische Leistung eines Materials wird häufig anhand einer Gütezahl gemessen, die als ZT-Wert bezeichnet wird. ZT wird berechnet als ZT = (S²σT)/κ, wobei S der Seebeck-Koeffizient, σ die elektrische Leitfähigkeit, T die absolute Temperatur und κ die Wärmeleitfähigkeit ist.
Der Seebeck-Koeffizient (S) ist ein Maß dafür, wie viel Spannung pro Einheit Temperaturdifferenz erzeugt wird. Bei Silizium hängt der Seebeck-Koeffizient vom Dotierungsniveau ab. Beim Dotieren werden dem Silizium Verunreinigungen hinzugefügt, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Beispielsweise entsteht durch die Zugabe von Phosphor (einer Donatorverunreinigung) ein Silizium vom n-Typ mit zusätzlichen Elektronen, während durch die Zugabe von Bor (einer Akzeptorverunreinigung) ein Silizium vom p-Typ mit Löchern (fehlenden Elektronen) entsteht. Der Seebeck-Koeffizient kann positiv oder negativ sein, je nachdem, ob das Material vom p- oder n-Typ ist.
Die elektrische Leitfähigkeit (σ) hängt davon ab, wie leicht sich Elektronen oder Löcher durch das Material bewegen können. Bei Silizium kann durch Dotierung die elektrische Leitfähigkeit deutlich erhöht werden. Höhere Dotierungsgrade bedeuten mehr Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), was zu einer höheren Leitfähigkeit führt. Aber es gibt einen Kompromiss. Durch eine Erhöhung der Dotierung kann auch die Wärmeleitfähigkeit erhöht werden, da die Ladungsträger auch Wärme transportieren können.
Die Wärmeleitfähigkeit (κ) ist ein Maß dafür, wie gut ein Material Wärme leitet. Im Vergleich zu einigen anderen thermoelektrischen Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit von Silizium relativ hoch. Dies ist auf den effizienten Phononentransport im Einkristallgitter zurückzuführen. Für thermoelektrische Anwendungen ist jedoch häufig eine geringere Wärmeleitfähigkeit erwünscht, da diese dazu beiträgt, einen Temperaturgradienten über das Material aufrechtzuerhalten, der für die Stromerzeugung erforderlich ist.
Um die thermoelektrische Leistung von 12-Zoll-Siliziumwafern zu verbessern, suchen Forscher und Hersteller ständig nach Möglichkeiten, den ZT-Wert zu optimieren. Ein Ansatz besteht darin, die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren, ohne zu viel elektrische Leitfähigkeit zu opfern. Dies kann durch das Einbringen von Nanostrukturen oder Defekten in das Silizium erfolgen. Nanostrukturen können Phononen streuen, wodurch ihre Fähigkeit zum Wärmetransport verringert wird, während sie gleichzeitig einen relativ geringen Einfluss auf die Bewegung von Elektronen haben.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Kombination verschiedener Dotierungsgrade und Materialien zu verwenden. Beispielsweise kann die Schaffung einer mehrschichtigen Struktur mit abwechselnden p-Typ- und n-Typ-Siliziumschichten die thermoelektrische Leistung verbessern. Diese Schichten können so gestaltet werden, dass sie den Elektronen- und Wärmefluss optimieren und so den Gesamt-ZT-Wert verbessern.
Vergleichen wir nun 12-Zoll-Siliziumwafer mit anderen Größen. Wir bieten auch an3-Zoll-Siliziumwafer (76,2 mm)Und6-Zoll-Siliziumwafer (150 mm). Die Größe des Wafers kann seine thermoelektrischen Eigenschaften in gewissem Maße beeinflussen. Kleinere Wafer können unterschiedliche Oberflächen-Volumen-Verhältnisse aufweisen, was die Wärmeübertragung an der Oberfläche beeinflussen kann. Allerdings werden die grundlegenden thermoelektrischen Eigenschaften von Silizium, wie der Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit, hauptsächlich durch die intrinsischen Eigenschaften des Materials und nicht durch die Wafergröße bestimmt.
Unser12-Zoll-Siliziumwafer (300 mm)wird in der Halbleiterindustrie häufig für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Bei thermoelektrischen Anwendungen ermöglicht die große Größe die Herstellung größerer thermoelektrischer Geräte. Dies kann für Anwendungen von Vorteil sein, bei denen eine hohe Leistungsabgabe erforderlich ist, beispielsweise in Abwärmerückgewinnungssystemen in industriellen Prozessen.
Neben den thermoelektrischen Eigenschaften haben 12-Zoll-Siliziumwafer weitere Vorteile. Sie bieten eine große Oberfläche für die Gerätefertigung, was die Produktionseffizienz steigern kann. Die hochwertige Einkristallstruktur gewährleistet eine konstante Leistung über den gesamten Wafer, was für die Massenproduktion zuverlässiger thermoelektrischer Geräte von entscheidender Bedeutung ist.
Wenn Sie auf der Suche nach hochwertigen 12-Zoll-Siliziumwafern für Ihre thermoelektrischen Anwendungen sind, würden wir uns freuen, mit Ihnen zu sprechen. Egal, ob Sie ein Forscher sind, der neue thermoelektrische Materialien entwickeln möchte, oder ein Hersteller, der thermoelektrische Geräte herstellt, unsere Wafer können Ihren Anforderungen gerecht werden. Kontaktieren Sie uns, um ein Gespräch über Ihre spezifischen Anforderungen zu beginnen und darüber, wie wir Sie beim Erreichen Ihrer Ziele unterstützen können.
Referenzen:
- Rowe, DM (Hrsg.). (2006). CRC-Handbuch der Thermoelektrik. CRC-Presse.
- Dresselhaus, MS, Chen, G., Tang, MY, Yang, RG, Lee, H., Wang, DZ, & Ren, ZF (2007). Neue Wege für niedrigdimensionale thermoelektrische Materialien. Advanced Materials, 19(19), 2437 - 2469.