Поликристален силиций
Linas JuozėnasСподели
Поликристален силиций
Поликристалният силиций е материал от кристален силиций, съставен от множество отделни силициеви кристали, наречени зърна. Във всяко зърно атомите са подредени в правилна диамантена решетка, но решетките на съседните зърна са завъртени под различни ъгли. На местата, където се срещат, се образуват граници на зърната. Именно тази многокристална структура отличава поликристалния силиций от монокристалния силиций и му придава характерната мозаечна повърхност. Този материал се превръща в един от най-важните междинни етапи между кварцовата суровина, слънчевите елементи, микроелектрониката и свръхчистите силициеви кристали.
Химически това е същият силиций, но вместо една непрекъсната кристална ориентация в него съществуват хиляди или милиони по-малки кристални области
Чистият кристален силиций е съставен от силициеви атоми, свързани в много подредена триизмерна мрежа. В едно кристално зърно този ред се простира в една ориентация.
В поликристалния материал има много такива зърна. Едното може да е завъртяно с няколко градуса, а другото – в напълно различна посока. Докато се намираме във вътрешността на едно зърно, решетката остава подредена, но при приближаване до ръба му атомните редици вече не могат да продължат съвършено.
Мястото на срещата се нарича граница на зърното. Там част от атомите имат малко по-различно съседство, поради което могат да се концентрират кристални дефекти, примеси и електронни състояния.
На пръв поглед тази разлика изглежда малка, но за електрониката е важна: електроните и дупките се движат по различен начин през съвършена кристална решетка и през множество нейни граници.
Същност на поликристалния силиций: всяко отделно зърно е кристал, но целият материал не е един кристал. Той е съвкупност от множество кристали.
Кристално зърно
Малка област от силиций, в която атомите запазват една обща кристалографска ориентация.
Граница между зърната
Област, в която се срещат две кристални решетки, завъртени по различен начин.
Поликристално цяло
Множество зърна се срастват механично и образуват цялостно парче силиций.
Сив, лъскав и крехък полупроводников материал, чието електрическо поведение силно се променя от чистотата, примесите и размера на кристалните зърна
| Химичен символ | Si |
|---|---|
| Тип материал | Поликристален елементарен полупроводник |
| Атомен номер | 14 |
| Кристална структура в зърното | Диамантена кубична структура |
| Твърдост | Приблизително 6,5–7 по скалата на Моос |
| Плътност | Около 2,33 g/cm³ |
| Температура на топене | Около 1414 °C |
| Цвят | Тъмносив, сребристосив, синкавосив или почти черен |
| Блясък | Металоподобен или полуметалоподобен блясък |
| Механичен характер | Твърд, но крехък |
| Електронен тип | Полупроводник |
| Ширина на забранената зона | Около 1,12 eV при стайна температура |
| Електрическа проводимост | Силно зависи от температурата, чистотата и контролираното легиране |
| Основна структурна разлика | Множество кристални ориентации и границите на зърната, които ги разделят |
Всеки силициев атом се свързва с четири съседи, създавайки тетраедрична мрежа, подобна на диамантената структура
Ред, който се повтаря в три посоки
В кристалния силиций всеки атом има четири най-близки силициеви съседи. Ковалентните връзки образуват пространствена мрежа от тетраедри, която определя както геометрията на кристала, така и полупроводниковите му свойства.
Четири връзки
Всеки силициев атом има четири валентни електрона и в кристала образува четири силни ковалентни връзки.
Тетраедрична геометрия
Съседните атоми се разполагат по посоките на тетраедър, затова решетката не е обикновена кубична мрежа.
Диамантена структура
Типът на силициевата решетка е същият като при диаманта, макар че силициевите атоми са по-големи, а връзките са по-слаби от тези в въглеродния кристал.
Състояния на електроните
Периодичното разположение на атомите създава валентни зони и енергийни зони на проводимост.
Зонова междина на полупроводника
Между валентната зона и зоната на проводимост остава енергийна междина, затова силицият не е нито добър метал, нито обичаен изолатор.
Влияние на температурата
Топлината може да даде на електроните достатъчно енергия, за да преминат в зоната на проводимост и да увеличат проводимостта.
В поликристалния силиций същата диамантена решетка се повтаря във всяко зърно. Различава се не локалният атомен ред, а ориентацията на цялото зърно в пространството.
Мозаечната повърхност на поликристалния силиций се създава от отделни кристални области, които отразяват светлината по различен начин поради различната си ориентация
Една повърхност, множество кристалографски ъгли
Атомите по повърхността на всяко зърно са ориентирани малко по-различно спрямо светлината, химическото ецване и механичната обработка. Поради това съседните области могат да изглеждат по-светли, по-тъмни или по-синкави.
Вътрешност на зърното
Атомният ред тук е доста правилен и близък до структурата на монокристала.
Граница
При срещата на две ориентации не всички атомни връзки могат да продължат в идеална периодична последователност.
Кристални дефекти
По границите могат да се срещат изкривени връзки, дислокации и други несъвършенства на решетката.
Натрупване на примеси
Някои чужди атоми се натрупват енергийно по-благоприятно по границите между зърната, отколкото в идеалната решетка.
Рекомбинация на носителите на заряд
Електроните и дупките могат по-лесно да се рекомбинират по границите, което намалява полезното им време на живот.
Размер на зърната
Колкото по-големи са зърната, толкова по-малко граници се падат на същия обем материал.
Границите между зърната не са просто видими линии. Те са истински кристални съединения, които могат да променят движението на електрическия заряд, механичната реакция и разпределението на примесите.
Пътят от силициевия диоксид до материал, подходящ за електрониката, изисква не само разтопяване на силиция, но и отстраняване на почти всички чужди примеси
Суровина от силициев диоксид
Промишленият процес обикновено започва от кварц или друг материал с много високо съдържание на силициев диоксид.
Редукция с въглерод
При висока температура кислородът се отстранява и се получава елементарен силиций с металургична чистота.
Силицият се превръща в летливи съединения
За да може да бъде пречистен с изключително висока точност, силицият химически се превръща в съединения, които могат да бъдат дестилирани.
Съединенията се пречистват
Чрез дестилация се отделят веществата, чиито точки на кипене и химично поведение се различават от тези на желаното силициево съединение.
Отлага се чист силиций
При висока температура газообразно съединение, съдържащо силиций, се разлага и елементарният силиций се отлага върху нагрята основа.
Получава се полисилиций
Получава се много чист поликристален силициев материал, който по-късно може да бъде разтопен и използван за отглеждане на други кристални форми.
Терминът „полисилиций“ в промишлеността често означава много чист поликристален силиций – суровина, от която по-късно се отглеждат монокристали или се отливат поликристални блокове.
При охлаждането на разтопения силиций на много места едновременно се появяват кристални зародиши, които растат, докато се срещнат един с друг
Силицият се разтопява
Над температурата на топене дългосрочният кристален ред изчезва и атомите се движат в течната стопилка.
Температурата започва да спада
При охлаждането се създават условия атомите отново да се свържат в кристална диамантена решетка.
Образуват се много зародиши
В различни участъци на стопилката започват да растат отделни силициеви кристали.
Кристалите се разширяват
Всяко ядро расте със собствена кристалографска ориентация, като присъединява все повече силициеви атоми.
Зърната се срещат
Фронтовете на растящите кристали достигат един до друг и вече не могат да продължат своите решетки без структурен компромис.
Образуват се граници между зърната
Цялата разтопена материя се втвърдява в единен блок, но в него остават множество отделни кристални ориентации.
Ако цялата стопилка бъде принудена да расте от едно правилно ориентирано кристално ядро и други ядра не се образуват, би могъл да се получи монокристал. Поликристалът възниква, когато едновременно растат множество кристални центрове.
Поликристалният силиций помогна за превръщането на фотоволтаичната технология в масова система за производство на енергия
От светлината към електрическата верига
Слънчевият фотон може да предаде енергия на електрон в силиция и да го изведе в проводимата зона. Правилно създадената област на електрическо поле отделя електрона от останалата дупка и насочва заряда към външната верига.
Поглъщане на фотони
Светлината с достатъчно енергия може да създаде подвижен електрон и положителен носител на заряд – дупка.
Силиций от p- и n-тип
Чрез контролирано въвеждане на различни примеси се създават области с различна концентрация на носители на заряд.
p–n преход
Електрическото поле, образувано на границата между две области, помага за разделянето на носителите на заряд, създадени от светлината.
Загуби по границите на зърната
Част от електроните и дупките могат да рекомбинират по границите, преди да достигнат електродите.
Големи зърна
По-големите кристални зърна намаляват броя на границите и обикновено помагат за запазване на по-добрите електронни свойства.
Синя повърхност
Синьото, характерно за много класически поликристални слънчеви елементи, се подсилва от антирефлексните повърхностни слоеве.
Поликристалният слънчев елемент не е „по-малко кристален“ от монокристалния. В него има множество истински кристали – просто ориентациите им са различни и между тях има повече граници.
Тънките слоеве от поликристален силиций позволяват създаването на транзистори там, където не е необходимо използването на масивен монокристал
Тънкослойни транзистори
Поликристалният силиций може да се използва в тънкослойни транзистори за дисплеи и други електронни структури.
Затвори на микросхеми
Исторически силно легираният полисилиций е използван широко в електродите на затворите на MOS транзистори.
Резистори
Контролираното съчетание на зърната, легирането и геометрията на слоя позволява формирането на електрически съпротивления.
Микромеханични системи
Слоевете от поликристален силиций могат да се превърнат в микроскопични греди, мембрани и подвижни конструкции.
Сензори
Механичните и електрическите свойства позволяват използването на полисилиций в микросензори за налягане, движение и други параметри.
Контролирано легиране
Количеството бор, фосфор или други подходящи примеси позволява промяна на концентрацията на свободните носители на заряд с много порядъци.
В електрониката думата „полисилиций“ често означава не голям лъскав къс силиций, а много тънък слой от поликристален силиций, интегриран в сложна структура на микрочип.
Атомите на двете вещества се свързват по един и същ начин, но в едната решетка структурата продължава почти без промяна на посоката, а в другата е разделена на множество кристални области
Монокристал
Почти цялата заготовка има една обща кристалографска ориентация.
Поликристал
Заготовката се състои от множество отделни кристални ориентации.
Граници на зърната
В монокристала почти липсват, а в поликристала изграждат цялата вътрешна мрежа.
Движение на електроните
По-съвършеният порядък на монокристала обикновено позволява на носителите на заряд да се движат с по-малко структурни препятствия.
Производствен процес
За монокристала е необходимо да се контролира растежът на един кристал, докато поликристалният материал може да се втвърди от множество зародиши.
Външен вид
На поликристална повърхност често може да се види мозаечен рисунък от отделни зърна.
Монокристалът и поликристалът не са две различни химични вещества. И двата могат да бъдат почти чист елементарен силиций – различава се мащабът на кристалния им порядък.
Елементът, чиито съединения съставляват по-голямата част от скалния свят, се превърна и в една от най-важните основи на цифровата цивилизация
В природата силицият почти никога не се среща като големи кристали от чист елемент, защото много лесно се свързва с кислорода. Кварцът, фелдшпатите и многобройните силикати го съхраняват в окислено състояние.
Индустриалната история на силиция започва със способността да се отделя силицият от кислорода и други елементи, а по-късно – с все по-усъвършенстваното му пречистване.
Електронната революция изискваше не просто силиций, а изключително чист силиций с контролирана кристална структура. Дори много малки количества нежелани елементи могат значително да променят електрическите свойства на полупроводника.
Производството на полисилиций се превърна в свързващо звено между химията на суровините и инженерството на кристалите. От пречистен полисилиций могат да се стопяват заготовки за слънчеви елементи или да се отглеждат големи монокристали за микроелектрониката.
Така един от най-разпространените елементи в земната кора се превърна в материал, при който е важна не изобилността, а изключително прецизно контролираните структура и чистота.
Технологичната стойност на силиция се появи, когато хората се научиха не само да го извличат, но и да контролират почти всеки аспект на неговия кристал – от примесите до ориентацията на атомите.
Град от множество кристали
В течния силиций почти по едно и също време се родиха няколко малки кристала.
Всеки започна да расте в своя посока.
„Ако не сме се завъртели всички еднакво, никога няма да се превърнем в едно цяло“, – каза първият кристал.
Но температурата продължи да спада, а кристалите се разширяваха.
Накрая краищата им се срещнаха.
Решетките не съвпаднаха идеално. Между тях се появи граница.
„Виждаш ли?“, – каза първият. „Ние все още сме различни.“
„Да“, – отвърна вторият. „Но сега нашата граница не е празнина. Тя се превърна в място, където се свързахме.“
Когато цялата стопилка се втвърди, нямаше един съвършен кристал. Имаше милиони от тях – и всички заедно се превърнаха в един функциониращ материал.
Това не е древна легенда. Това е творчески разказ, вдъхновен от реалния растеж на зърната в поликристалния силиций.
Единство на много посоки, способност да се запази самобитната структура и едновременно да се създаде по-голяма система, която функционира именно благодарение на всичките си части
В съвременния символичен език поликристалният силиций може да се свързва със сътрудничеството, изграждането на сложни системи, интегрирането на различни способности и разбирането, че единството не означава непременно еднаквост. Това е творческа интерпретация, а не научно потвърдено въздействие върху човека.
Отделно зърно
Всяка част от живота на човека може да има своя посока и въпреки това да принадлежи към по-голямо цяло.
Граница между зърната
Разликата между двама души или идеи може да се превърне не само в конфликт, но и в истинско място на свързване между тях.
Кристализация
Подредбата може да възникне едновременно на много места и по-късно да се обедини в една система.
Полупроводник
Способността да се управлява кога енергията протича и кога спира може да символизира осъзнати граници и целенасочено действие.
Слънчев елемент
Енергията, получена отвън, не само може да бъде погълната, но и преобразувана в полезна работа.
Мозаечно цяло
Сложната система не е длъжна да скрива различните си части – понякога именно те създават най-интересната структура.
Ритуал на общата структура
Тази суха символична практика е предназначена за ситуация, в която имате няколко различни задачи, умения или хора и искате да разберете как да ги свържете в една функционираща система, без да принуждавате всички да станат еднакви.
Какво ще е необходимо
- един образец от поликристален силиций;
- лист хартия;
- химикал;
- на система или проект, който искате да организирате по-добре.
Зърна
Начертайте на листа няколко отделни области и във всяка запишете една част от проекта, човек, умение или отговорност.
Посоки
До всяка част отбележете какво прави най-добре и каква посока не бива да бъде принуждавана да променя.
Граници
Между съседните области запишете каква информация, ресурси или решения трябва да преминават от едната към другата.
Места на дефекти
Отбележете едно съединение, в което в момента се губят най-много време, енергия или яснота.
По-здрава връзка
Изберете една малка промяна, която би подобрила именно тази граница: по-ясно правило, по-добър обмен на информация или по-прост процес.
Заклинание
Поставете поликристалния силиций в центъра на схемата и произнесете три пъти:
Посоките запазвам, границите свързвам,
съставям функциониращо цяло от множество части.
Завършване
Кажете: „Единството не изисква еднаквост. Всяка част може да запази своята посока, а аз мога да укрепя местата, където те се срещат.“
Най-често задавани въпроси за поликристалния силиций
Какво представлява поликристалният силиций?
Каква е химичната му формула?
По какво се различава поликристалният силиций от монокристалния?
Какво е граница между зърната?
Истински кристал ли е всяко зърно на поликристалния силиций?
Каква е твърдостта на силиция?
Каква е неговата плътност?
Защо поликристалният силиций изглежда като мозайка?
Какво е полисилиций?
Използва ли се поликристален силиций в слънчеви елементи?
Защо границите между зърната са важни за слънчевите елементи?
Използва ли се полисилиций в микроелектрониката?
Какво символизира поликристалният силиций в съвременното въображение?
Поликристалният силиций показва, че една функционираща структура може да бъде създадена не чрез премахване на различията, а чрез прецизно подреждане на местата, където различните посоки се срещат.
Историята му започва със същия силициев атом, който в природата най-често се крие в кварца и силикатните минерали.
Пречистеният и разтопен силиций започва да кристализира при охлаждане на много места едновременно.
Всеки кристал расте в своя посока, а когато се срещнат, те образуват граници между зърната и заедно се превръщат в едно твърдо поликристално тяло.
В света на технологиите този материал свързва химията, физиката на кристалите, слънчевата енергия и микроелектрониката. На символно ниво той може да напомня, че сложното цяло не е задължително да има една-единствена посока – понякога силата му се появява именно защото множество различни кристали се научават да съществуват в едно тяло.