Силицис
Linas JuozėnasСподели
Силиций
Силицият е химичен елемент, обозначен със символа Si и с атомен номер 14. В природата почти никога не се среща в чист вид, тъй като лесно се свързва с кислород и други елементи. Затова най-често срещаме силиций в кварца, фелдшпатите, слюдите, глинестите минерали и множество други силикати. Пречистен до изключително висока степен и отгледан като монокристал, той се превръща в контролиран полупроводник, от който се произвеждат микрочипове, сензори и соларни елементи.
Елемент с четири връзки, който може да се превърне в скелет на скала или в прецизно контролиран път за електрони
Силициевият атом има четири валентни електрона. Това му позволява да образува четири здрави ковалентни връзки със съседните атоми.
В чистия кристален силиций всеки атом се свързва с четири други силициеви атома и създава триизмерна решетка от диамантен тип.
В природата силицият по-често се свързва с кислорода. Тетраедрите от силиций и кислород могат да бъдат единични, свързани във вериги, пръстени, листове или непрекъснати каркаси.
Същността на силиция: същите четири възможни връзки му позволяват да създава както огромното разнообразие от силикати в земната кора, така и подреден полупроводников кристал в електрониката.
Четири валентни електрона
Те позволяват на силиция да образува здрава мрежа от четири връзки.
Положението на металоид
Силицият има свойства, характерни както за металите, така и за неметалите, затова заема междинно положение.
Контролирана проводимост
Чистият силиций има ограничена проводимост, но електрическото му поведение може много прецизно да се променя с малки количества примеси.
Твърд, крехък и сив блестящ кристал, чиято проводимост зависи от температурата, светлината и примесите
| Химичен символ | Si |
|---|---|
| Атомен номер | 14 |
| Клас на елемента | Металоид |
| Кристална структура | Диамантена кубична решетка |
| Твърдост | Приблизително 6,5–7 по скалата на Моос |
| Плътност | Приблизително 2,33 g/cm³ |
| Температура на топене | Около 1414 °C |
| Температура на кипене | Около 3265 °C |
| Блясък | Метален или полуметален |
| Цвят | Тъмносив, стоманеносив или синкавосив |
| Начупване | Черупковиден; материалът е крехък |
| Електронно свойство | Полупроводник, чиято забранена зонна ширина при стайна температура е около 1,12 eV |
| Промяна на проводимостта | Увеличава се с повишаването на температурата, под въздействието на светлина или при добавяне на подходящи примеси |
Един от най-важните градивни елементи на планетата, но почти винаги скрит в съединения
Кварц
Силициевият диоксид SiO₂ образува кварц, аметист, цитрин, планински кристал и множество други разновидности на кварца.
Фелдшпати
Скелети от силиций, алуминий, кислород и метали образуват една от най-разпространените групи минерали в земната кора.
Слюди
Силикатните листове позволяват на тези минерали лесно да се разцепват на тънки пластинки.
Глинести минерали
При изветрянето на силикатите се образуват изключително фини люспести частици, важни за почвите и седиментите.
Пироксени и амфиболи
Силикатните им вериги са важни за магмените и метаморфните скали.
Силиций в природата
Свободният елементарен силиций в природата е много рядък, тъй като лесно реагира и се превръща в оксиди или силикати.
Голяма част от минералната архитектура на земната кора може да бъде разбрана, като се наблюдава как тетраедрите на силиция и кислорода се свързват в постоянно по-сложни форми.
От силициевия диоксид в скалата до изключително чист материал, в който почти всяка примес е контролирана
Избира се силициев диоксид
За производството се използва кварц или много чист кварцов пясък.
Силициевият диоксид се редуцира
При висока температура в електрическа пещ кислородът се отстранява с помощта на въглеродсъдържащ материал.
Получава се металургичен силиций
Получава се сива маса от елементарен силиций, която все още съдържа твърде много примеси за чувствителна електроника.
Силицият се превръща в летливо съединение
Химично междинно съединение може да бъде дестилирано и отделено от множество замърсители.
Отлага се изключително чист силиций
От пречистено газообразно съединение се получава поликристален материал с изключително висока чистота.
Материалът се подготвя за отглеждане на кристал
Силицият се разтопява в контролирана среда и се използва за оформяне на монокристални или поликристални заготовки.
Кварцът в природата може да бъде почти прозрачен, но за електрониката не е достатъна само красива суровина. Необходима е такава чистота, че дори съвсем малко количество нежелан елемент да не нарушава електрическото поведение.
Огромен кристал се отглежда така, че милиарди атоми да продължат в една обща посока на решетката
От стопилката до пластината
Монокристалният цилиндър се нарязва на много тънки кръгли пластини, наречени силициеви пластини. Върху тях по-късно се създават транзистори, проводникови пътеки и други електронни структури.
Кристален зародиш
Малък прецизно ориентиран силициев кристал се допира до повърхността на разтопения материал.
Бавно изтегляне
Зародишът се върти и повдига, а присъединяващите се към него атоми продължават същата кристална решетка.
Монокристален цилиндър
При правилно регулиране на температурата и скоростта на изтегляне израства дълъг кристал с еднаква ориентация.
Рязане на пластини
Цилиндърът се нарязва на тънки дискове, чиято повърхност се изравнява и полира.
Кристалографска посока
Ориентацията на пластината се избира според производствените и електрическите свойства на бъдещото устройство.
Поликристален силиций
Когато материалът се състои от множество кристални зърна с различна ориентация, той се нарича поликристален.
Проводимостта му може да се управлява достатъчно добре, суровината е в изобилие, а на повърхността му може да се създаде стабилен изолиращ оксиден слой
Полупроводниково поведение
Силицият не е нито добър метален проводник, нито пълен изолатор, затова движението на електроните в него може да се управлява.
Силиций от n-тип
Примесите с допълнителен валентен електрон увеличават броя на свободните електрони.
Силиций от p-тип
Примесите с един валентен електрон по-малко създават места с недостиг на електрони, наречени дупки.
Транзистори
Електрическото поле управлява дали токът протича през микроскопичен силициев канал.
Слънчеви клетки
Светлината създава подвижни носители на заряд в силиция, които вътрешното електрическо поле насочва към електрическата верига.
Слой от силициев диоксид
Върху повърхността на силиция може да се отгледа здрав изолиращ слой от SiO₂, който е изключително важен за производството на микросхеми.
Силицият се превърна в основа на технологиите не защото е съвършен в едно отношение, а защото електрическите, химичните, топлинните и производствените му свойства работят изключително добре заедно.
Три сходно звучащи думи означават напълно различни материали
Силиций
Химичен елемент Si. Чистият кристален силиций е тъмносив металоид и полупроводник.
Силициев диоксид
Съединение SiO₂. То изгражда кварца и е важна съставна част на много пясъци, стъкла и скали.
Силикати
Огромна група минерали, в която единици от силиций и кислород се свързват с алуминий, магнезий, желязо, калций и други елементи.
Силикон
Семейство синтетични полимери, в чиято основна верига се редуват атоми на силиций и кислород.
Стъкло
Обикновено аморфен материал от силициев диоксид и други оксиди, който няма далечен кристален порядък.
Силициев карбид
Съединение SiC, съставено от силиций и въглерод, отличаващо се с висока твърдост и устойчивост на топлина.
Силицият не е същото като силикона. Единият е елемент и полупроводник, а другият е полимерен материал на основата на силиций, кислород и органични групи.
Елементът е бил отделен от материали, използвани от хората в продължение на хиляди години, но дълго време не е била позната истинската им химична природа
Името на силиция се свързва с латинската дума silex, означаваща кремък или твърд камък, богат на силиций.
От най-древни времена хората са използвали кремък, кварцов пясък, глина, керамика и стъкло, но елементарният силиций в тези материали е бил химически свързан.
В началото на XIX век е било разбрано, че силициевият диоксид съдържа дотогава неизолиран елемент. През 1824 г. Йонс Якоб Берцелиус получава сравнително чист аморфен силиций.
По-късно свойствата на кристалния силиций станали все по-важни за електротехниката, а през XX век той се превърнал в основен материал за транзистори и интегрални схеми.
Историята на силиция има необичайна дъга: отначало той се криел в камъка, по-късно бил отделен в лаборатория, а накрая сам станал материалът, в който човечеството започнало да съхранява и обработва информация.
Кристалът, който се научил да изчислява
В скалата на планината живеел силиций. Той поддържал кварцовата решетка, скелета на фелдшпата и листовете слюда, но никой не го виждал отделно.
Един ден хората го освободили от кислородните връзки, пречистили го и го разтопили.
„В какво трябва да се превърна?“ – попитал силицият.
„Първо се научи да подредиш всичките си атоми в една посока“, – отговорил зародишът на кристала.
Силицият растял бавно, докато се превърнал в цялостен кристал. Тогава в неговата решетка били въведени едва няколко чужди атома.
На едно място се появил допълнителен електрон, а на друго – празно място, през което той можел да се движи. Между тях започнал да протича контролиран сигнал.
Така елементът, който в продължение на милиарди години е изграждал камъни, се научил да изчислява, да помни и да предава мисли, създадени от хората.
Това не е древна легенда. Това е творчески разказ, вдъхновен от истинската силициева решетка, примесната проводимост и работата на микросхемите.
Структура, точна връзка и способност от множество малки единици да се създаде функционираща система
В съвременния символичен език силицият може да се свързва с логиката, ученето, обработката на информация, създаването на системи и съзнателното изграждане на връзки. Това е творческа интерпретация, а не научно потвърдено въздействие върху човека.
Четири връзки
Един елемент може да стане стабилен не като се отдели, а като се свърже точно със средата си.
Кристален ред
Малки правила, повтаряни последователно, могат да създадат голяма и надеждна структура.
Значението на примесите
Понякога един малък нов елемент не разрушава системата, а ѝ придава напълно нова функция.
Полупроводниково състояние
Не всичко трябва да бъде напълно отворено или напълно затворено – стойността може да се крие в контролирания преход.
Сигнал
Информацията придобива смисъл едва когато има път, посока и ясно състояние.
От камъка до мисълта
Един и същ материал може да изпълнява напълно различна роля, когато се промени качеството на неговата чистота, структура и организация.
Ритуал на ясната система
Тази суха символична практика е предназначена за работа или проект с много отделни детайли, но все още без ясна функционираща структура.
Какво ще е необходимо
- една силициева проба;
- лист хартия;
- химикал;
- на една сложна задача или проект.
Четири основни връзки
Запишете четирите най-важни части на проекта, без които системата не би могла да работи.
Правило на решетката
Към всяка част запишете по едно ясно правило, според което тя трябва да работи.
Път на сигнала
Начертайте как информацията, решението или материалът се движи от една част към друга.
Полезен примес
Назовете една малка промяна, която би могла да даде на системата нова функция или да премахне най-голямата пречка.
Заклинание
Поставете силиция в центъра на листа и кажете три пъти:
Виждам връзките, създавам ред,
свързвам системата с малки единици.
Заключение
Кажете: „Не е нужно да изграждам всичко наведнъж. Достатъчно е прецизно да свържа следващата най-важна част.“
Най-често задавани въпроси за силиция
Какво е силицият?
Метал ли е силицият?
Минерал ли е силицият?
Каква е кристалната структура на силиция?
Каква е твърдостта на силиция?
Защо силицият е полупроводник?
Какво представляват n-типът и p-типът силиций?
Едно и също ли са силицият и силициевият диоксид?
Едно и също ли са силицият и силиконът?
Какво символизира силицият в съвременното въображение?
Силицият показва как едно и също атомно свойство може да изгражда планини, прозрачен кварц, слънчеви елементи и микроскопични логически порти
В природата силицият почти винаги съществува във връзки с кислород и други елементи, образувайки огромно разнообразие от силикатни минерали.
В промишлеността той се извлича от силициев диоксид, пречиства се и се отглежда като подредени монокристали.
При добавяне на много малко количество подходящи примеси в решетката се появяват допълнителни електрони или дупки, а електрическият сигнал става управляем.
В химията силицият е четиринадесетият елемент. На символно ниво той може да напомня, че сложните системи не непременно се раждат от едно голямо решение – те възникват, когато множество малки връзки са подредени толкова прецизно, че започват да функционират като една мисъл.