金属シリコンって？

Question

長年半導体を触ってきて(但しIII-IV。今は別の分野)今更ですが、
Siは精錬(と言っていいのかな？)直後は金属なんですね。驚きました。
苦労してSiウェハを劈開した経験のある者としては未だに信じられません。
金属ということは、自由電子が豊富で金属結合をしていて電導度も高く、
延性、展性もあるのでしょうか。
鉄やアルミ、金などと比べてどんな感じなのかを教えてください。

またこの金属Siが共有結合の半導体となるのは、純度のためなのか、
引き上げのときの条件によるのかが、少し調べた限りではどうもよく分りません。
詳しい方がおられましたら教えてください。

kenojisan · Accepted Answer

半導体は専門では無いですが、材料研究者です。
まず、純シリコンですが、1.1eV程度のエネルギーギャップを持つ半導体で、半金属でも金属でもありません。
デバイス利用される単結晶シリコンは、微量のホウ素をドープしてホール伝導を施したP型の、リンをドープして電子伝導を施したn型半導体が通常で、ドープ量で導電性を自由に調節しています。純シリコンの単結晶ウェーハーは需要が無くてメーカーで出荷しないようで、我々の研究材料としても簡単には手に入りません。
ドープしてあってもあくまで半導体であり、物性物理で言う金属では有りません。それは、簡単な判断基準としては伝導度の温度変化を見れば分かりやすく、金属なら低温にすればほぼ直線的に抵抗が下がりますが、半導体は逆に指数関数的に増加します。
室温で半導体が導電性を示すのは、熱励起によって価電子帯の一部の電子が伝導体に持ち上げられているためで、導電率だけで半導体と金属の判断は出来ません。
厳密には、比熱測定や電子分光によってバンド構造を調べて、基底状態でのバンドギャップの有無を明らかにしないと断定できないので、新しく見つけた物質の金属、半導体の区別は簡単では無いです。
純シリコンや純ホウ素を「金属シリコン」「金属ホウ素」と呼ぶ習慣は、材料の専門書にも多く見られて私も紛らわしくて困っています。みなさんの回答を見ると、どうも冶金分野からの習慣のようですね。

debukuro · Answer

珪素は真性半導体といって金属と非金属の中間の性質を持っています
炭素や鉛も半導体ですが真性半導体は特殊な性質持っているのです
純度の高い結晶のときは絶縁体として働きます
シリコンウエハーの上に回路素子を蒸着させて集積回路を作れるのはそのためです
珪素に３価または５価の不純物を混ぜると導体として働きます
この性質を利用したものがシリコントランジスターやシリコンダイオードです

手元に精製前の珪素の結晶がありますが実用的な展性や弾性、延性はほとんど見られません
叩くと簡単に割れます

maman53 · Answer

シリコンが金属（半金属）なのは中学生でも知っている事実だぞ

もう一度元素の周期表を見直してみるんですね
いいか？シリコンはSiでケイ素のことだぞ

専門家が聞いて呆れるな、それとも専門家ってその程度なのか？

imoriimori · Answer

私は中学生ではないので、Siが金属だとは知りませんでした。
手元の理科年表の周期表ではSiは金属性元素には入っておらず、固体電子論の教科書でも金属とは扱われておりませんが。何かの定義の問題なのでしょうかね。

Siが金属に分類されるのかどうかはさておき、
思うのですが、金属シリコンって、金属グレードのシリコン（純度が十分でない、まだ十分精製されていない）という意味ではないのでしょうか？

doc_sunday · Answer

単結晶（モノリス)を引き上げた状態では金属光沢がありますし、＃1のお答えのようにそこそこの電導性があります。(でないとＬＳＩの内部導体部分が作れない）
確かに劈開しますから金属としてはへんてこですが、金属シリコンとは超高純度ケイ素のことです。間違いありません。
また最近多いポリシリコンも純金属ケイ素です。モノリシックで無いだけ安い訳ですけど。

leo-ultra · Answer

金属っていろいろ定義があるようです。
固体物理ならば、フェルミ面が開いているとか、自由電子があるということでしょうか？
（１次元金属とか、モット絶縁体を考えるとこの定義でいいのか疑問。）

金属学（やきん学）の場合の定義は少し違うようです。
例えば、Fe2O3は鉄の酸化物。
それに対して単体のFeは金属鉄。

この考え方をSiに適用すると
SiO2はSiの酸化物、
それに対して単体のSiは、金属Siと呼んだまでだと思います。

中学の教科書は知りませんが、私の高校の教科書にもSiは金属扱い
されていました。たぶん定義が違うのでしょう。

またSiウェハーの鏡のような反射は金属光沢とは違います。
金属光沢は100％ちかい反射率がありますが、Siはせいぜい30%で
ぜんぜん金属的じゃありません。単なる誤解。

sanori · Answer

こんにちは。
私は半導体業界の仕事の経験者なのですが、
「金属シリコン」は、＃４様がおっしゃっているように、純度が高いシリコンのことだと認識していました。

しかし、シリコンを圧縮するとできる「β スズ構造」と呼ばれる構造のシリコンは、本当に金属だそうです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%AA%E3%82%B3%E3%83%B3

http://images.google.co.jp/images?hl=ja&safe=off&q=%CE%B2%E3%82%B9%E3%82%BA%E6%A7%8B%E9%80%A0&lr=&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi


また、高純度シリコンに精製する前の段階の、あまり純度の高くないシリコン（それでも純度９９％ですが）のことを「金属グレードシリコン」と呼ぶようです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%AA%E3%82%B3%E3%83%B3#.E8.A3.BD.E6.B3.95


以上、ご参考になりましたら。

imoriimori · Answer

＃３です。どうも気になるので、もう少し調べて見ました。
手元のSze著、"SEMICONDUCTOR DEVICES, 2nd edition" 産業図書　によると
「SiO2を炭素と一緒に炉で加熱するとSi（固体）が得られるが、これが金属シリコンと呼ばれ98%くらいの純度である。」とあります。
その他に"metallic silicon"でweb検索すると、いくつか見た限りではどれもやはり上記の未生成シリコンのことを言っているようです。

これってやはり＃５さんがおっしゃっているように化合物から還元した単体を冶金学的な感覚で金属って言っている慣習であって、物理学的に金属的であると言っているわけではない、と理解します。固体電子論（バンド構造）的にも金属とは違いすぎますし。。。

例外的にシリコンのナノワイヤのことをmettalic silicon nanowireと言っている文献がありましたが、これはナノワイヤということから来る導電性をもってmetallicと言っているわけで、ちょっと別ですね。
漏れなく調べることはできませんけど、高純度シリコンのことを金属シリコンという、という用例は見つけることができませんでした。

金属シリコンって？

珪素は真性半導体といって金属と非金属の中間の性質を持っています

シリコンが金属（半金属）なのは中学生でも知っている事実だぞ

私は中学生ではないので、Siが金属だとは知りませんでした。

単結晶（モノリス)を引き上げた状態では金属光沢がありますし、＃1のお答えのようにそこそこの電導性があります。

金属っていろいろ定義があるようです。

こんにちは。

＃３です。

半導体は専門では無いですが、材料研究者です。

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