Polikristalinis silicis
Linas JuozenasShare
Polikristalinis silicis
Polikristalinis silicis – tai kristalinio silicio medžiaga, sudaryta iš daugybės atskirų silicio kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkinga deimantine gardele, tačiau gretimų grūdelių gardelės pasuktos skirtingais kampais. Jų susitikimo vietose susidaro grūdelių ribos. Būtent ši daugiakristalė struktūra išskiria polikristalinį silicį iš monokristalinio silicio ir suteikia jam būdingą mozaikinį paviršių. Ši medžiaga tapo vienu svarbiausių tarpinių etapų tarp kvarco žaliavos, saulės elementų, mikroelektronikos ir itin grynų silicio kristalų.
Chemiškai tai tas pats silicis, tačiau vietoje vienos nenutrūkstančios kristalinės orientacijos jame egzistuoja tūkstančiai ar milijonai mažesnių kristalinių sričių
Grynas kristalinis silicis sudarytas iš silicio atomų, sujungtų į labai tvarkingą trimatį tinklą. Viename kristaliniame grūdelyje ši tvarka tęsiasi viena orientacija.
Polikristalinėje medžiagoje tokių grūdelių yra daug. Vienas gali būti pasuktas keliais laipsniais, kitas – visiškai kita kryptimi. Kol esame vieno grūdelio viduje, gardelė išlieka tvarkinga, tačiau priartėjus prie jo krašto atomų eilės nebegali tęstis tobulai.
Susitikimo vieta vadinama grūdelio riba. Joje dalis atomų turi kiek kitokią kaimynystę, todėl čia gali koncentruotis kristaliniai defektai, priemaišos ir elektroninės būsenos.
Šis skirtumas iš pirmo žvilgsnio atrodo nedidelis, tačiau elektronikai jis svarbus: elektronai ir skylės per tobulą kristalinę gardelę juda kitaip nei per daugybę jos ribų.
Polikristalinio silicio esmė: kiekvienas atskiras grūdelis yra kristalas, tačiau visa medžiaga nėra vienas kristalas. Ji yra daugelio kristalų bendrija.
Kristalinis grūdelis
Nedidelė silicio sritis, kurioje atomai išlaiko vieną bendrą kristalografinę orientaciją.
Grūdelių riba
Sritis, kurioje susitinka dvi skirtingai pasuktos kristalinės gardelės.
Polikristalinė visuma
Daugybė grūdelių mechaniškai suauga ir sudaro vientisą silicio gabalą.
Pilka, blizgi ir trapi puslaidininkinė medžiaga, kurios elektrinį elgesį stipriai keičia grynumas, priemaišos ir kristalinių grūdelių dydis
| Cheminis simbolis | Si |
|---|---|
| Medžiagos tipas | Polikristalinis elementinis puslaidininkis |
| Atominis skaičius | 14 |
| Kristalinė struktūra grūdelyje | Deimantinė kubinė struktūra |
| Kietumas | Maždaug 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Apie 2,33 g/cm³ |
| Lydymosi temperatūra | Apie 1414 °C |
| Spalva | Tamsiai pilka, pilkai sidabrinė, melsvai pilka arba juosva |
| Blizgesys | Metališkai arba pusiau metališkai blizgus |
| Mechaninis pobūdis | Kietas, tačiau trapus |
| Elektroninis tipas | Puslaidininkis |
| Draustinės juostos plotis | Apie 1,12 eV kambario temperatūroje |
| Elektrinis laidumas | Labai priklauso nuo temperatūros, grynumo ir kontroliuojamo dopavimo |
| Pagrindinis struktūrinis skirtumas | Daugybė kristalinių orientacijų ir jas skiriančių grūdelių ribų |
Kiekvienas silicio atomas susijungia su keturiais kaimynais, sukurdamas tetraedrinį tinklą, panašų į deimanto struktūrą
Tvarka, kuri kartojasi trimis kryptimis
Kristaliniame silicyje kiekvienas atomas turi keturis artimiausius silicio kaimynus. Kovalentiniai ryšiai sudaro erdvinį tetraedrų tinklą, kuris lemia ir kristalo geometriją, ir jo puslaidininkines savybes.
Keturi ryšiai
Kiekvienas silicio atomas turi keturis valentinius elektronus ir kristale sudaro keturis stiprius kovalentinius ryšius.
Tetraedrinė geometrija
Kaimyniniai atomai išsidėsto tetraedro kryptimis, todėl gardelė nėra paprastas kubinis tinklelis.
Deimantinė struktūra
Silicio gardelės tipas toks pat kaip deimanto, nors silicio atomai didesni, o ryšiai silpnesni nei anglies kristale.
Elektronų būsenos
Periodinis atomų išsidėstymas sukuria valentines ir laidumo energines juostas.
Puslaidininkio tarpas
Tarp valentinės ir laidumo juostų lieka energinis tarpas, todėl silicis nėra nei geras metalas, nei įprastas izoliatorius.
Temperatūros įtaka
Šiluma gali suteikti elektronams pakankamai energijos pereiti į laidumo juostą ir padidinti laidumą.
Polikristaliniame silicyje ši pati deimantinė gardelė kartojasi kiekviename grūdelyje. Skiriasi ne vietinė atomų tvarka, o viso grūdelio orientacija erdvėje.
Mozaikinį polikristalinio silicio paviršių sukuria atskiros kristalinės sritys, kurios šviesą atspindi nevienodai dėl skirtingos orientacijos
Vienas paviršius, daugybė kristalografinių kampų
Kiekvieno grūdelio paviršiaus atomai šviesos, cheminio ėsdinimo ir mechaninio apdorojimo atžvilgiu orientuoti šiek tiek kitaip. Dėl to greta esantys plotai gali atrodyti šviesesni, tamsesni ar melsvesni.
Grūdelio vidus
Atominė tvarka čia gana taisyklinga ir artima monokristalo struktūrai.
Riba
Susitikus dviem orientacijoms ne visi atomų ryšiai gali tęstis idealioje periodinėje sekoje.
Kristaliniai defektai
Ribose gali būti iškraipytų ryšių, dislokacijų ir kitų gardelės netobulumų.
Priemaišų kaupimasis
Kai kurie svetimi atomai energetiškai palankiau kaupiasi grūdelių ribose nei tobuloje gardelėje.
Krūvininkų rekombinacija
Elektronai ir skylės ribose gali lengviau susijungti, todėl sumažėja jų naudingo gyvavimo trukmė.
Grūdelių dydis
Kuo grūdeliai didesni, tuo mažiau ribų tenka tam pačiam medžiagos tūriui.
Grūdelių ribos nėra tiesiog matomos linijos. Jos yra tikros kristalinės sandūros, galinčios keisti elektros krūvio judėjimą, mechaninį atsaką ir priemaišų pasiskirstymą.
Kelias nuo silicio dioksido iki elektronikai tinkamos medžiagos reikalauja ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas svetimas priemaišas
Silicio dioksido žaliava
Pramoninis kelias dažniausiai prasideda nuo kvarco ar kitos labai silicio dioksido turtingos medžiagos.
Redukcija anglimi
Aukštoje temperatūroje deguonis pašalinamas, gaunant metalurginės kokybės elementinį silicį.
Silicis paverčiamas lakiais junginiais
Kad būtų galima itin tiksliai jį išgryninti, silicis chemiškai paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.
Junginiai išgryninami
Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūros ir cheminis elgesys skiriasi nuo norimo silicio junginio.
Nusodinamas grynas silicis
Aukštoje temperatūroje silicio turintis dujinis junginys suskaidomas ir elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.
Gaunamas polisilicis
Susidaro labai gryna polikristalinė silicio medžiaga, kuri vėliau gali būti lydoma ir naudojama kitoms kristalinėms formoms auginti.
Terminas „polisilicis“ pramonėje dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį – žaliavą, iš kurios vėliau auginami monokristalai arba liejami daugiakristaliai ruošiniai.
Išlydytam siliciui vėstant daugelyje vietų vienu metu atsiranda kristalų branduoliai, kurie auga tol, kol susitinka vienas su kitu
Silicis išlydomas
Virš lydymosi temperatūros ilgalaikė kristalinė tvarka išnyksta ir atomai juda skystame lydale.
Temperatūra pradeda kristi
Vėstant atsiranda sąlygos atomams vėl jungtis į kristalinę deimantinę gardelę.
Susidaro daug branduolių
Skirtingose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.
Kristalai plečiasi
Kiekvienas branduolys auga savo kristalografine orientacija, prijungdamas vis daugiau silicio atomų.
Grūdeliai susitinka
Augančių kristalų frontai pasiekia vienas kitą ir nebegali tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.
Susidaro grūdelių ribos
Visa medžiaga sukietėja į vientisą bloką, tačiau jame išlieka daugybė atskirų kristalinių orientacijų.
Jei visas lydalas būtų priverstas augti nuo vieno tinkamai orientuoto kristalo branduolio ir kiti branduoliai nesusidarytų, būtų galima gauti monokristalą. Polikristalas atsiranda tada, kai vienu metu auga daug kristalinių centrų.
Polikristalinis silicis padėjo paversti fotovoltinę technologiją masine energijos gamybos sistema
Šviesa į elektros grandinę
Saulės fotonas gali perduoti energiją silicio elektronui ir iškelti jį į laidumo juostą. Tinkamai sukurta elektrinio lauko sritis atskiria elektroną nuo likusios skylės ir nukreipia krūvį į išorinę grandinę.
Fotonų sugertis
Pakankamos energijos šviesa gali sukurti judrų elektroną ir teigiamą krūvininką – skylę.
p ir n tipo silicis
Kontroliuojamai įvedant skirtingų priemaišų sukuriamos sritys, turinčios skirtingą krūvininkų koncentraciją.
p–n sandūra
Dviejų sričių sandūroje susidaręs elektrinis laukas padeda atskirti šviesos sukurtus krūvininkus.
Grūdelių ribų nuostoliai
Dalis elektronų ir skylių gali rekombinuoti ribose dar nepasiekę elektrodų.
Dideli grūdeliai
Didesni kristaliniai grūdeliai sumažina ribų kiekį ir paprastai padeda išlaikyti geresnes elektronines savybes.
Mėlynas paviršius
Daugeliui klasikinių polikristalinių saulės elementų būdingą mėlyną spalvą stiprina antirefleksiniai paviršiaus sluoksniai.
Polikristalinis saulės elementas nėra „mažiau kristalinis“ už monokristalinį. Jo viduje gausu tikrų kristalų – tiesiog jų orientacijos skirtingos ir tarp jų yra daugiau ribų.
Ploni polikristalinio silicio sluoksniai leidžia kurti tranzistorius ten, kur masyvaus monokristalo panaudoti nebūtina
Plonų sluoksnių tranzistoriai
Polikristalinis silicis gali būti naudojamas plonasluoksniuose tranzistoriuose ekranų ir kitose elektroninėse struktūrose.
Mikroschemų vartai
Istoriškai stipriai legiruotas polisilicis plačiai naudotas MOS tranzistorių vartų elektroduose.
Rezistoriai
Kontroliuojamas grūdelių, dopavimo ir sluoksnio geometrijos derinys leidžia formuoti elektrines varžas.
Mikromechaninės sistemos
Polikristalinio silicio sluoksniai gali tapti mikroskopinėmis sijomis, membranomis ir judančiomis konstrukcijomis.
Jutikliai
Mechaninės ir elektrinės savybės leidžia naudoti polisilicį slėgio, judesio ir kitų parametrų mikrojutikliuose.
Kontroliuojamas dopavimas
Boro, fosforo ar kitų tinkamų priemaišų kiekis leidžia keisti laisvųjų krūvininkų koncentraciją daugeliu dydžio eilių.
Elektronikoje žodis „polisilicis“ dažnai reiškia ne didelį blizgų silicio gabalą, o labai ploną polikristalinio silicio sluoksnį, integruotą į sudėtingą mikroschemos struktūrą.
Abiejų medžiagų atomai jungiasi taip pat, tačiau vienoje gardelė tęsiasi beveik be krypties lūžio, o kitoje suskaidyta į daugybę kristalinių sričių
Monokristalas
Beveik visas ruošinys turi vieną bendrą kristalografinę orientaciją.
Polikristalas
Ruošinį sudaro daugybė atskirų kristalinių orientacijų.
Grūdelių ribos
Monokristale jų beveik nėra, o polikristale jos sudaro visą vidinį tinklą.
Elektronų judėjimas
Tobulesnė monokristalo tvarka paprastai leidžia krūvininkams judėti su mažiau struktūrinių kliūčių.
Gamybos kelias
Monokristalui reikia valdyti vieno kristalo augimą, o polikristalinė medžiaga gali kietėti iš daugelio branduolių.
Išvaizda
Polikristaliniame paviršiuje dažnai galima pamatyti mozaikinį atskirų grūdelių raštą.
Monokristalas ir polikristalas nėra dvi skirtingos cheminės medžiagos. Abu gali būti beveik grynas elementinis silicis – skiriasi jų kristalinės tvarkos mastas.
Elementas, kurio junginiai sudaro didžiąją dalį uolienų pasaulio, tapo ir vienu svarbiausių skaitmeninės civilizacijos pagrindų
Gamtoje silicis beveik niekada neaptinkamas kaip dideli gryno elemento kristalai, nes labai lengvai jungiasi su deguonimi. Kvarcas, feldšpatai ir daugybė silikatų saugo jį oksiduotoje būsenoje.
Pramoninė silicio istorija prasidėjo nuo gebėjimo atskirti silicį nuo deguonies ir kitų elementų, o vėliau – nuo vis pažangesnio jo gryninimo.
Elektronikos revoliucijai reikėjo ne tiesiog silicio, o itin gryno ir kontroliuojamos kristalinės struktūros silicio. Net labai maži nepageidaujamų elementų kiekiai gali reikšmingai pakeisti puslaidininkio elektrines savybes.
Polisilicio gamyba tapo jungiamąja grandimi tarp žaliavos chemijos ir kristalų inžinerijos. Iš išgryninto polisilicio galima lydyti saulės elementų ruošinius arba auginti didelius monokristalus mikroelektronikai.
Taip vienas iš labiausiai paplitusių Žemės plutos elementų tapo medžiaga, kurioje svarbi ne gausa, o nepaprastai tiksliai kontroliuojama struktūra ir švara.
Silicio technologinė vertė atsirado tada, kai žmonės išmoko ne tik jį išgauti, bet ir kontroliuoti beveik kiekvieną jo kristalo aspektą – nuo priemaišų iki atomų orientacijos.
Miestas iš daugybės kristalų
Skystame silicyje beveik tuo pačiu metu gimė keli maži kristalai.
Kiekvienas pradėjo augti sava kryptimi.
„Jei visi nesame pasisukę vienodai, niekada netapsime vienu kūnu“, – tarė pirmasis kristalas.
Tačiau temperatūra toliau krito, o kristalai plėtėsi.
Galiausiai jų kraštai susitiko.
Gardelės nesutapo idealiai. Tarp jų atsirado riba.
„Matai?“ – tarė pirmasis. „Mes vis dar skirtingi.“
„Taip“, – atsakė antrasis. „Bet dabar mūsų riba yra ne tarpas. Ji tapo vieta, kur mes susijungėme.“
Kai visas lydalas sustingo, nebuvo vieno tobulo kristalo. Buvo milijonai jų – ir visi kartu tapo viena veikiančia medžiaga.
Tai nėra sena legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikro polikristalinio silicio grūdelių augimo.
Daugelio krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu sukurti didesnę sistemą, kuri veikia tik dėl visų jos dalių
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integracija ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai patvirtintas poveikis žmogui.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savą kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Skirtumas tarp dviejų žmonių ar idėjų gali tapti ne tik konfliktu, bet ir tikra jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali atsirasti vienu metu daugelyje vietų ir vėliau susijungti į vieną sistemą.
Puslaidininkis
Gebėjimas valdyti, kada energija teka ir kada sustoja, gali simbolizuoti sąmoningas ribas bei kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunama energija gali būti ne tik sugeriama, bet ir paverčiama naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti savo skirtingų dalių – kartais jos būtent ir sukuria įdomiausią struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kurioje turite kelis skirtingus darbus, gebėjimus ar žmones ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą nepriversdami visų tapti vienodais.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norite geriau sutvarkyti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelis atskirus plotus ir kiekviename įrašykite vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Prie kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kokios krypties jai nereikėtų priverstinai keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sandūrą, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Stipresnė jungtis
Pasirinkite vieną mažą pakeitimą, kuris pagerintų būtent šią ribą: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Užkalbėjimas
Padėkite polikristalinį silicį ant schemos centro ir tris kartus ištarkite:
Kryptis išlaikau, ribas sujungiu,
iš daugelio dalių veikiančią visumą kuriu.
Užbaigimas
Pasakykite: „Vienybė nereikalauja vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš galiu sustiprinti vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai kylantys klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Kokia jo cheminė formulė?
Kuo polikristalinis silicis skiriasi nuo monokristalinio?
Kas yra grūdelio riba?
Ar kiekvienas polikristalinio silicio grūdelis yra tikras kristalas?
Koks silicio kietumas?
Koks jo tankis?
Kodėl polikristalinis silicis atrodo mozaikiškai?
Kas yra polisilicis?
Ar polikristalinis silicis naudojamas saulės elementuose?
Kodėl grūdelių ribos svarbios saulės elementams?
Ar polisilicis naudojamas mikroelektronikoje?
Ką polikristalinis silicis simbolizuoja šiuolaikinėje vaizduotėje?
Polikristalinis silicis parodo, kad viena veikianti struktūra gali būti sukurta ne panaikinus skirtumus, o tiksliai sutvarkius vietas, kuriose skirtingos kryptys susitinka
Jo istorija prasideda tuo pačiu silicio atomu, kuris gamtoje dažniausiai slepiasi kvarce ir silikatiniuose mineraluose.
Išgrynintas ir išlydytas silicis vėsdamas pradeda kristalizuotis daugelyje vietų vienu metu.
Kiekvienas kristalas auga sava kryptimi, o susitikę jie suformuoja grūdelių ribas ir kartu tampa vienu kietu polikristaliniu kūnu.
Technologijų pasaulyje ši medžiaga jungia chemiją, kristalų fiziką, saulės energiją ir mikroelektroniką. Simbolinėje kalboje ji gali priminti, kad sudėtinga visuma nebūtinai turi vieną kryptį – kartais jos stiprybė atsiranda todėl, kad daugybė skirtingų kristalų išmoksta egzistuoti viename kūne.