Поликристален силиций
Linas JuozėnasСподели
Поликристален силиций
Поликристалният силиций е кристален силициев материал, съставен от множество отделни силициеви кристали, наречени зърна. Във всяко зърно атомите са подредени в правилна кубична решетка от диамантен тип, но решетките на съседните зърна са завъртени под различни ъгли. Там, където се срещат, се образуват граници между зърната. Именно тази поликристална структура отличава поликристалния силиций от монокристалния и му придава характерната мозаечна повърхност. Този материал се превръща в една от най-важните междинни връзки между кварцовата суровина, слънчевите клетки, микроелектрониката и свръхчистите силициеви кристали.
Химически това е същият силиций, но вместо една непрекъсната кристална ориентация в него има хиляди или милиони по-малки кристални области
Чистият кристален силиций е изграден от силициеви атоми, свързани в изключително подредена триизмерна мрежа. В рамките на едно кристално зърно този ред запазва една и съща ориентация.
Поликристалният материал съдържа множество такива зърна. Едно може да е завъртяно с няколко градуса, а друго – ориентирано в съвсем различна посока. Вътре в зърното решетката остава подредена, но близо до ръба му редиците от атоми вече не могат да продължат напълно правилно.
Областта, в която те се срещат, се нарича граница между зърната. Локалното обкръжение на някои атоми там е малко по-различно, затова в тези области могат да се натрупват дефекти в кристалната структура, примеси и електронни състояния.
На пръв поглед тази разлика може да изглежда незначителна, но в електрониката е много важна: в почти идеална кристална решетка електроните и дупките се движат по различен начин, отколкото в материал, пресечен от множество граници между зърната.
Същност на поликристалния силиций: всяко отделно зърно е кристал, но целият материал не е един кристал. Той е общност от много кристали.
Кристално зърно
Малка област от силиций, в която атомите запазват една обща кристалографска ориентация.
Граница на зърното
Област, в която се срещат две завъртени по различен начин кристални решетки.
Поликристална цялост
Множество зърна механично се срастват и образуват едно цялостно парче силиций.
Сив, блестящ, крехък полупроводник, чиито електрически свойства се влияят силно от чистотата, примесите и размера на кристалните зърна
| Химичен символ | Si |
|---|---|
| Тип материал | Поликристален елементарен полупроводник |
| Атомен номер | 14 |
| Кристална структура във вътрешността на зърното | Кубична структура от диамантен тип |
| 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 | От метален до полуметален |
| Механични свойства | Твърд, но крехък |
| Тип електронна проводимост | 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 кристали с различна ориентация, разделени от граници на зърната |
Всеки атом на силиция се свързва с четири съседни атома и образува тетраедрична мрежа, подобна на диамантената структура
Повтарящ се ред в три измерения
В кристалния силиций всеки атом има четири най-близки съседни атома на силиция. Ковалентните връзки образуват триизмерна тетраедрична мрежа, която определя както геометрията на кристала, така и полупроводниковите му свойства.
Четири връзки
Всеки атом на силиция има четири валентни електрона и в кристала образува четири силни ковалентни връзки.
Тетраедрична геометрия
Съседните атоми са разположени в посоки на тетраедър, затова решетката не е обикновена кубична мрежа.
Диамантена структура
Типът решетка на силиция е по същество същият като този на диаманта, макар атомите на силиция да са по-големи, а връзките по-слаби от тези в кристала на въглерода.
Електронни състояния
Периодичното разположение на атомите създава валентна и проводима енергийна зона.
Забранена зона на полупроводника
Между валентната и проводимата зона остава забранена енергийна зона, затова силицият не е нито добре проводим метал, нито обикновен изолатор.
Влияние на температурата
Топлината може да даде на електроните достатъчно енергия, за да преминат в проводимата зона и да увеличат електрическата проводимост.
В поликристалния силиций във всяко зърно се повтаря една и съща кубична решетка от диамантен тип. Различава се не локалният ред на атомите, а ориентацията на цялото зърно в пространството.
Повърхността на поликристалния силиций, напомняща мозайка, се състои от отделни кристални области, които отразяват светлината по различен начин заради различната си ориентация
Една повърхност, много кристалографски ъгли
Атомите по повърхността на всяко зърно са ориентирани малко по-различно спрямо посоките на падащата светлина, химичното ецване и механичната обработка. Затова съседните области могат да изглеждат по-светли, по-тъмни или по-синкави.
Във вътрешността на зърното
Тук атомите са подредени доста правилно и структурата много наподобява тази на монокристал.
Граница
Там, където се срещат две области с различна ориентация, не всички атомни връзки могат да продължат в напълно периодична последователност.
Кристални дефекти
По границите може да има изкривени връзки, дислокации и други дефекти на решетката.
Натрупване на примеси
За някои чужди атоми енергийно по-изгодно да се натрупват по границите на зърната, отколкото във вътрешността на съвършената решетка.
Рекомбинация на носителите на заряд
При границите електроните и дупките могат да се рекомбинират по-лесно, което съкращава полезното им време на живот.
Размер на зърната
Колкото по-големи са зърната, толкова по-малко са границите в същия обем материал.
Границите на зърната не са просто видими линии. Те са истински граници между кристалните области, които могат да променят преноса на заряд, механичната реакция и разпределението на примесите.
За да се получи от силициев диоксид материал с чистота, подходяща за електрониката, не е достатъчно силицият да се разтопи: трябва да се отстранят и почти всички нежелани примеси
Суровина от силициев диоксид
Промишленият производствен процес обикновено започва с кварц или друг материал с 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 силицият да се пречисти изключително прецизно, той се превръща химически в съединения, които могат да се дестилират.
Съединенията се пречистват
Чрез дестилация се отделят веществата, чиито точки на кипене и химични свойства се различават от тези на желаното силициево съединение.
Отлага се чист силиций
При висока температура газообразно съединение, съдържащо силиций, се разлага, а елементарният силиций се отлага върху нагрята основа.
Получава се полисилиций
Получава се високочист поликристален силициев материал, който впоследствие може да се разтопи и използва за отглеждане на други кристални форми.
В промишлеността терминът полисилиций често означава високочист поликристален силиций – суровина, от която впоследствие могат да се отглеждат монокристали или да се отливат мултикристални слитъци.
При охлаждането на разтопения силиций на много места едновременно се появяват кристални зародиши, които нарастват, докато се допрат
Силицият се разтопява
Когато температурата надвиши температурата на топене, далечният кристален порядък изчезва и атомите се движат в течната стопилка.
Температурата започва да спада
При охлаждането на стопилката се създават условия атомите отново да се свържат в диамантоподобна кубична кристална решетка.
Образуват се множество зародиши
На различни места в стопилката започват да растат отделни силициеви кристали.
Кристалите нарастват
Всяко зародишно кристалче расте със собствена кристалографска ориентация, като присъединява все повече силициеви атоми.
Зърната се допират
Фронтовете на растящите кристали се срещат и вече не могат да продължат решетките си без структурен компромис.
Образуват се граници на зърната
Целият материал се втвърдява в един цялостен блок, но вътре в него се запазват множество различни кристалографски ориентации.
Ако целият разтопен материал кристализира от един подходящо ориентиран кристален зародиш и не се образуват допълнителни зародиши, може да се получи монокристал. Поликристалът се образува, когато едновременно нарастват множество центрове на кристализация.
Поликристалният силиций помогна фотоволтаичната технология да се превърне в система за производство на енергия в промишлен мащаб
От светлината до електрическата верига
Фотон от слънчевата светлина може да предаде енергия на силициев електрон и да го възбуди до проводимата зона. Подходящо оформена област с електрическо поле отделя електрона от останалата дупка и насочва заряда към външната верига.
Поглъщане на фотони
Светлината с достатъчна енергия може да създаде подвижен електрон и положителен носител на заряд – дупка.
Силиций от p-тип и n-тип
Чрез въвеждане на контролирани количества от различни легиращи примеси могат да се създадат области с различна концентрация на носители на заряд.
p–n преход
Електрическото поле, образувано на границата между две области, помага за разделянето на създадените от светлината носители на заряд.
Загуби по границите на зърната
Част от електроните и дупките могат да рекомбинират по границите на зърната, преди да достигнат електродите.
Едри зърна
По-едрите кристални зърна намаляват броя на границите и обикновено помагат за запазването на по-добри електронни свойства.
Синя повърхност
Синьото, характерно за много класически поликристални слънчеви клетки, се подсилва от антирефлексните повърхностни покрития.
Поликристалната слънчева клетка не е „по-малко кристална“ от монокристалната. Тя съдържа много истински кристали – просто ориентациите им се различават, а между тях има повече граници.
Тънките слоеве поликристален силиций позволяват създаването на транзистори там, където не е нужен обемен монокристал
Тънкослойни транзистори
Поликристалният силиций може да се използва в тънкослойни транзистори за дисплеи и други електронни структури.
Затвори на интегрални схеми
В миналото силно легираният полисилиций се използваше широко като материал за електродите на затворите на MOS транзистори.
Резистори
Чрез контролиране на съчетанието от структурата на зърната, легирането и геометрията на слоя могат да се оформят електрически резистори.
Микромеханични системи
Слоевете от поликристален силиций могат да се превърнат в микроскопични греди, мембрани и подвижни структури.
Сензори
Благодарение на механичните и електрическите си свойства поликристалният силиций може да се използва в микросензори за налягане, движение и други параметри.
Контролирано легиране
Количеството бор, фосфор или други подходящи легиращи примеси може да промени концентрацията на свободните носители на заряд с много порядъци.
В електрониката думата полисилиций често означава не голямо лъскаво парче силиций, а много тънък слой поликристален силиций, интегриран в сложната структура на микрочип.
И в двата материала атомите се свързват по един и същ начин, но в единия кристалната решетка продължава почти без промяна на посоката, а в другия е разделена на множество кристални области
Монокристал
Кристалографската ориентация е една и съща в почти целия блок.
Поликристал
Блокът се състои от множество области с различна кристалографска ориентация.
Граници на зърната
В монокристала те почти липсват, а в поликристала образуват широка вътрешна мрежа.
Пренос на електрони
По-съвършеният порядък на монокристала обикновено позволява на носителите на заряд да се движат, като срещат по-малко структурни препятствия.
Начин на растеж
За да се произведе монокристал, трябва да се контролира растежът на един кристал, докато поликристалният материал може да се втвърди от множество зародиши на кристализация.
Външен вид
По повърхността на поликристалния материал често може да се види мозаечен рисунък, образуван от отделните зърна.
Монокристалният и поликристалният силиций не са две различни химични вещества. И двата могат да бъдат съставени от почти чист елементарен силиций – различава се мащабът на кристалния им порядък.
Елементът, чиито съединения съставляват голяма част от света на скалите, се превърна и в една от най-важните основи на цифровата цивилизация
В природата силицият почти никога не се среща под формата на големи кристали от чист елемент, защото се свързва много лесно с кислорода. В кварца, фелдшпатите и безброй силикатни минерали той е в окислено състояние.
Промишлената история на силиция започна с усвояването на отделянето му от кислорода и другите елементи, а по-късно бяха разработени все по-усъвършенствани методи за пречистването му.
Революцията в електрониката 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 поликристален силиций се превърна в свързващо звено между химията на суровините и инженерството на кристалите. От стопилка на пречистен поликристален силиций могат да се оформят блокове за слънчеви клетки или да се отглеждат големи монокристали за микроелектрониката.
Така един от най-разпространените елементи в земната кора се превърна в материал, при който изобилието е по-маловажно от изключително прецизния контрол върху структурата и чистотата.
Силицият придоби технологична стойност, когато хората се научиха не само да го извличат, но и да контролират почти всеки аспект на кристала му – от примесите до ориентацията на атомите.
Градът на многото кристали
В разтопения силиций почти едновременно се зародиха няколко малки кристала.
Всеки започна да расте в своя посока.
„Ако не сме всички ориентирани еднакво, никога няма да станем едно цяло“, каза първият кристал.
Но температурата продължи да спада, а кристалите продължиха да растат.
Накрая краищата им се срещнаха.
Решетките им не съвпадаха напълно. Между тях се появи граница.
„Виждаш ли?“, каза първият. „Все още сме различни.“
„Да“, отвърна вторият. „Но сега границата ни не е празнина. Тя се превърна в място, където се свързахме.“
Когато цялата стопилка се втвърди, нямаше един-единствен съвършен кристал. Имаше милиони – и заедно те се превърнаха в един работещ материал.
Това не е древна легенда. Това е творчески разказ, вдъхновен от истинския растеж на зърната в поликристалния силиций.
Единство на множество посоки, способност да се запази самостоятелната структура и същевременно да се създаде по-голяма система, която функционира благодарение на всички свои части
В съвременния символичен език поликристалният силиций може да се свързва със сътрудничеството, създаването на сложни системи, съчетаването на различни умения и разбирането, че единството не означава непременно еднаквост. Това е творческа интерпретация, а не научно доказано въздействие върху хората.
Отделно зърно
Всяка част от човешкия живот може да има своя посока и все пак да принадлежи към едно по-голямо цяло.
Граница на зърното
Разликата между двама души или идеи може да стане не само източник на конфликт, но и самото място на тяхното обединяване.
Кристализация
Редът може да възникне едновременно на много места и по-късно да се обедини в една система.
Полупроводник
Способността да контролирате кога тече енергията и кога потокът ѝ спира може да символизира съзнателно поставени граници и целенасочено действие.
Слънчева клетка
Енергията отвън може не само да се поглъща, но и да се превръща в полезна работа.
Мозаечно цяло
Сложната система не е длъжна да прикрива различните си части – понякога именно те създават най-интересната ѝ структура.
Ритуал за обща структура
Тази нерелигиозна символична практика е предназначена за ситуации, в които имате няколко различни задачи, умения или хора и искате да разберете как да ги свържете в една работеща система, без да принуждавате всички части да станат еднакви.
Какво ще ви трябва
- образец от поликристален силиций;
- лист хартия;
- химикалка;
- на система или проект, който бихте искали да организирате по-ефективно.
Зърна
Начертайте на листа няколко отделни области и във всяка запишете по една част от проект, човек, умение или отговорност.
Посоки
До всяка част отбележете какво прави най-добре и посоката ѝ, която не бива да променяте насила.
Граници
Между съседните области запишете каква информация, ресурси или решения трябва да преминат от едната в другата.
Места с дефекти
Отбележете една връзка, където в момента се губят най-много време, енергия или яснота.
По-здрава връзка
Изберете една малка промяна, която би подобрила взаимодействието на тази конкретна граница: по-ясно правило, по-добро предаване на информацията или по-прост процес.
Повтаряни думи
Поставете поликристалния силиций в центъра на диаграмата и кажете три пъти:
Запазвам всяка посока и укрепвам всяка връзка,
създавам от множество отделни части работещо цяло, което ги надхвърля.
Завършек
Кажете: „Единството не изисква еднаквост. Всяка част може да запази посоката си, а аз укрепвам местата, където се срещат.“
Често задавани въпроси за поликристалния силиций
Какво е поликристален силиций?
Каква е химичната му формула?
По какво поликристалният силиций се различава от монокристалния силиций?
Какво е граница между зърната?
Всяко зърно поликристален силиций истински кристал ли е?
Каква е твърдостта на силиция?
Каква е плътността му?
Защо поликристалният силиций изглежда като мозайка?
Какво е полисилиций?
Използва ли се поликристален силиций в слънчевите елементи?
Защо границите между зърната са важни в слънчевите елементи?
Използва ли се полисилиций в микроелектрониката?
Какво символизира поликристалният силиций в съвременното въображение?
Поликристалният силиций показва, че работеща структура може да се създаде не като се премахнат различията, а като внимателно се организират местата, където се срещат различни посоки
Историята му започва с един и същ атом на силиция, който в природата най-често се съдържа 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, 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 енергетика и микроелектрониката. В символичен план той може да напомня, че сложното цяло не се нуждае непременно от една посока – понякога силата му се разкрива именно защото множество различни кристали се научават да съществуват в едно тяло.