Polikristalinis silicis
Linas JuozėnasDalytis
Polikristalinis silicis
Polikristalinis silicis – kristalinė silicio medžiaga, sudaryta iš daugelio atskirų silicio kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkingoje deimanto tipo kubinėje gardelėje, tačiau gretimų grūdelių gardelės pasuktos skirtingais kampais. Ten, kur jos susitinka, susidaro grūdelių ribos. Būtent ši daugiakristalė sandara skiria polikristalinį silicį nuo monokristalinio ir suteikia jam būdingą mozaikišką paviršių. Ši medžiaga tapo viena svarbiausių tarpinių grandžių, siejančių kvarco žaliavą, saulės elementus, mikroelektroniką ir itin grynus silicio kristalus.
Chemiškai tai tas pats silicis, tačiau vietoj vienos nenutrūkstamos kristalo orientacijos jame yra tūkstančiai ar milijonai mažesnių kristalinių sričių
Gryną kristalinį silicį sudaro silicio atomai, susijungę į itin tvarkingą trimatį tinklą. Viename kristaliniame grūdelyje ši tvarka išlaiko tą pačią orientaciją.
Polikristalinėje medžiagoje yra daugybė tokių grūdelių. Vienas gali būti pasuktas keliais laipsniais, o kitas – orientuotas visiškai kita kryptimi. Grūdelio viduje gardelė išlieka tvarkinga, tačiau artėjant prie jo krašto atomų eilės nebegali tęstis visiškai taisyklingai.
Jų susidūrimo sritis vadinama grūdelių riba. Kai kurių atomų vietinė aplinka ten šiek tiek skiriasi, todėl šiose srityse gali telktis kristalinės sandaros defektai, priemaišos ir elektroninės būsenos.
Iš pirmo žvilgsnio šis skirtumas gali atrodyti nedidelis, tačiau elektronikoje jis labai svarbus: beveik tobula kristaline gardele elektronai ir skylės juda kitaip nei medžiaga, kurią kerta daugybė grūdelių ribų.
Polikristalinio silicio esmė: kiekvienas atskiras grūdelis yra kristalas, tačiau visa medžiaga nėra vienas kristalas. Tai daugelio kristalų bendruomenė.
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 tarpusavyje ir sudaro vieną ištisinį silicio gabalą.
Pilkas, blizgus, trapus puslaidininkis, kurio elektrinėms savybėms didelę įtaką daro grynumas, priemaišos ir kristalinių grūdelių dydis
| Cheminis simbolis | Si |
|---|---|
| Medžiagos tipas | Polikristalinis elementinis puslaidininkis |
| Atominis skaičius | 14 |
| Kristalinė struktūra grūdelio viduje | Deimanto tipo kubinė struktūra |
| Kietumas | Maždaug 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Apie 2,33 g/cm³ |
| Lydymosi temperatūra | Apie 1414 °C |
| Spalva | Tamsiai pilka, sidabriškai pilka, melsvai pilka arba beveik juoda |
| Blizgesys | Nuo metalinio iki pusiau metalinio |
| Mechaninės savybės | Kietas, bet trapus |
| Elektroninis tipas | Puslaidininkis |
| Draustinės juostos plotis | Apie 1,12 eV kambario temperatūroje |
| Elektrinis laidumas | Labai priklauso nuo temperatūros, grynumo ir kontroliuojamo legiravimo |
| Pagrindinis struktūrinis skirtumas | Daugybė skirtingos orientacijos kristalų, atskirtų grūdelių ribomis |
Kiekvienas silicio atomas jungiasi su keturiais kaimyniniais atomais ir sudaro tetraedrinį tinklą, panašų į deimanto struktūrą
Trijose dimensijose pasikartojanti tvarka
Kristaliniame silicyje kiekvienas atomas turi keturis artimiausius kaimyninius silicio atomus. Kovalentiniai ryšiai sudaro trimatį tetraedrinį tinklą, lemiantį tiek kristalo geometriją, tiek jo puslaidininkines savybes.
Keturi ryšiai
Kiekvienas silicio atomas turi keturis valentinius elektronus ir kristale sudaro keturis stiprius kovalentinius ryšius.
Tetraedrinė geometrija
Kaimyniniai atomai išsidėstę tetraedro kryptimis, todėl gardelė nėra paprastas kubinis tinklelis.
Deimanto struktūra
Silicio gardelės tipas iš esmės toks pat kaip deimanto, nors silicio atomai yra didesni, o ryšiai silpnesni nei anglies kristale.
Elektroninės būsenos
Dėl periodinio atomų išsidėstymo susidaro valentinė ir laidumo energijos juostos.
Puslaidininkio draustinė juosta
Tarp valentinės ir laidumo juostų lieka draustinė energijos juosta, todėl silicis nėra nei gerai laidus metalas, nei įprastas izoliatorius.
Temperatūros poveikis
Šiluma gali suteikti elektronams pakankamai energijos pereiti į laidumo juostą ir padidinti elektrinį laidumą.
Polikristaliniame silicyje kiekviename grūdelyje kartojasi ta pati deimanto tipo kubinė gardelė. Skiriasi ne vietinė atomų tvarka, o viso grūdelio orientacija erdvėje.
Mozaiką primenantį polikristalinio silicio paviršių sudaro atskiros kristalinės sritys, kurios dėl skirtingos orientacijos nevienodai atspindi šviesą
Vienas paviršius, daug kristalografinių kampų
Kiekvieno grūdelio paviršiaus atomai yra šiek tiek skirtingai orientuoti krintančios šviesos, cheminio ėsdinimo ir mechaninio apdorojimo krypčių atžvilgiu. Dėl to gretimos sritys gali atrodyti šviesesnės, tamsesnės arba melsvesnės.
Grūdelio viduje
Čia atomų išsidėstymas gana taisyklingas ir labai primena monokristalo struktūrą.
Riba
Ten, kur susitinka dvi skirtingos orientacijos sritys, ne visi atominiai ryšiai gali tęstis visiškai periodine seka.
Kristalo defektai
Ribose gali būti iškraipytų ryšių, dislokacijų ir kitų gardelės defektų.
Priemaišų kaupimasis
Kai kuriems svetimiems atomams energetiškai palankiau kauptis grūdelių ribose nei tobulos gardelės viduje.
Krūvininkų rekombinacija
Ties ribomis elektronai ir skylės gali lengviau rekombinuoti, todėl sutrumpėja jų naudingoji gyvavimo trukmė.
Grūdelių dydis
Kuo didesni grūdeliai, tuo mažiau ribų yra tame pačiame medžiagos tūryje.
Grūdelių ribos nėra vien matomos linijos. Tai tikros kristalinių sričių sandūros, galinčios keisti krūvio pernašą, mechaninį atsaką ir priemaišų pasiskirstymą.
Norint iš silicio dioksido gauti elektronikai tinkamo grynumo medžiagą, reikia ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas nepageidaujamas priemaišas
Silicio dioksido žaliava
Pramoninės gamybos procesas paprastai prasideda nuo kvarco arba kitos medžiagos, kurioje labai daug silicio dioksido.
Redukcija anglimi
Aukštoje temperatūroje pašalinamas deguonis ir gaunamas metalurginio grynumo elementinis silicis.
Silicis paverčiamas lakiaisiais junginiais
Kad silicį būtų galima itin tiksliai išgryninti, jis cheminiu būdu paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.
Junginiai gryninami
Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūra ir cheminės savybės skiriasi nuo norimo silicio junginio.
Nusodinamas grynas silicis
Aukštoje temperatūroje dujinis silicio turintis junginys skyla, o elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.
Gaunamas polisilicis
Susidaro labai gryna polikristalinio silicio medžiaga, kurią vėliau galima išlydyti ir panaudoti kitoms kristalinėms formoms auginti.
Pramonėje terminas polisilicis dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį – žaliavą, iš kurios vėliau galima auginti monokristalus arba lieti multikristalinius luitus.
Auštant išlydytam siliciui, daugelyje vietų vienu metu atsiranda kristalų užuomazgų, kurios auga, kol susiliečia
Silicis išlydomas
Viršijus lydymosi temperatūrą, tolimoji kristalinė tvarka išnyksta, o atomai juda skystame lydale.
Temperatūra pradeda kristi
Lydalui auštant, susidaro sąlygos atomams vėl susijungti į deimanto tipo kubinę kristalinę gardelę.
Susidaro daug užuomazgų
Įvairiose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.
Kristalai didėja
Kiekviena užuomazga auga sava kristalografine orientacija, prisijungdama vis daugiau silicio atomų.
Grūdeliai susiliečia
Augančių kristalų frontai pasiekia vienas kitą ir nebegali toliau tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.
Susidaro grūdelių ribos
Visa medžiaga sukietėja į vieną vientisą bloką, tačiau jo viduje išlieka daug skirtingų kristalografinių orientacijų.
Jei visas lydalas būtų verčiamas kristalizuotis iš vieno tinkamai orientuoto kristalinio pradmens ir nesusidarytų papildomų užuomazgų, būtų galima gauti monokristalą. Polikristalas susidaro, kai vienu metu auga daug kristalizacijos centrų.
Polikristalinis silicis padėjo fotovoltinę technologiją paversti masinio masto energijos gamybos sistema
Nuo šviesos iki elektros grandinės
Saulės šviesos fotonas gali perduoti energiją silicio elektronui ir sužadinti jį į laidumo juostą. Tinkamai suformuota elektrinio lauko sritis atskiria elektroną nuo likusios skylės ir nukreipia krūvį į išorinę grandinę.
Fotonų sugertis
Pakankamos energijos šviesa gali sukurti judrų elektroną ir teigiamąjį krūvininką – skylę.
p tipo ir n tipo silicis
Įterpiant kontroliuojamus skirtingų legiruojančiųjų priemaišų kiekius, galima sukurti sritis, kuriose krūvininkų koncentracijos skiriasi.
p–n sandūra
Dviejų sričių sandūroje susidaręs elektrinis laukas padeda atskirti šviesos sukurtus krūvininkus.
Nuostoliai ties grūdelių ribomis
Dalis elektronų ir skylių gali rekombinuoti ties grūdelių ribomis dar nepasiekę elektrodų.
Stambūs grūdeliai
Stambesni kristaliniai grūdeliai sumažina ribų skaičių ir paprastai padeda išlaikyti geresnes elektronines savybes.
Mėlynas paviršius
Daugeliui klasikinių polikristalinių saulės elementų būdingą mėlyną spalvą sustiprina atspindį mažinančios paviršiaus dangos.
Polikristalinis saulės elementas nėra „mažiau kristalinis“ nei monokristalinis. Jame yra daug tikrų kristalų – tiesiog jų orientacijos skiriasi, o tarp jų yra daugiau ribų.
Ploni polikristalinio silicio sluoksniai leidžia kurti tranzistorius ten, kur tūrinio monokristalo nereikia
Plonasluoksniai tranzistoriai
Polikristalinis silicis gali būti naudojamas ekranų ir kitų elektroninių struktūrų plonasluoksniuose tranzistoriuose.
Integrinių grandynų užtūros
Anksčiau stipriai legiruotas polisilicis buvo plačiai naudojamas kaip MOS tranzistorių užtūros elektrodų medžiaga.
Rezistoriai
Kontroliuojant grūdelių struktūros, legiravimo ir sluoksnio geometrijos derinį, galima suformuoti elektrinius rezistorius.
Mikromechaninės sistemos
Polikristalinio silicio sluoksniai gali tapti mikroskopinėmis sijomis, membranomis ir judančiomis struktūromis.
Jutikliai
Dėl savo mechaninių ir elektrinių savybių polikristalinis silicis gali būti naudojamas slėgio, judesio ir kitų parametrų mikrojutikliuose.
Kontroliuojamas legiravimas
Boro, fosforo ar kitų tinkamų legiruojančiųjų priemaišų kiekis gali pakeisti laisvųjų krūvininkų koncentraciją daugeliu dydžio eilių.
Elektronikoje žodis polisilicis dažnai reiškia ne didelį blizgantį silicio gabalą, o labai ploną polikristalinio silicio sluoksnį, integruotą į sudėtingą mikrolusto struktūrą.
Abiejose medžiagose atomai jungiasi vienodai, tačiau vienoje kristalinė gardelė tęsiasi beveik nekeisdama krypties, o kitoje ji suskaidyta į daugybę kristalinių sričių
Monokristalas
Beveik viso luito kristalografinė orientacija yra ta pati.
Polikristalas
Luitą sudaro daugybė skirtingos kristalografinės orientacijos sričių.
Grūdelių ribos
Monokristale jų beveik nėra, o polikristale jos sudaro platų vidinį tinklą.
Elektronų pernaša
Tobulesnė monokristalo tvarka paprastai leidžia krūvininkams judėti susiduriant su mažiau struktūrinių kliūčių.
Augimo būdas
Norint pagaminti monokristalą, reikia kontroliuoti vieno kristalo augimą, o polikristalinė medžiaga gali kietėti iš daugelio kristalizacijos užuomazgų.
Išvaizda
Polikristalinės medžiagos paviršiuje dažnai galima matyti atskirų grūdelių sudaromą mozaikinį raštą.
Monokristalinis ir polikristalinis silicis nėra dvi skirtingos cheminės medžiagos. Abu gali būti sudaryti iš beveik gryno elementinio silicio – skiriasi jų kristalinės tvarkos mastas.
Elementas, kurio junginiai sudaro didelę dalį uolienų pasaulio, taip pat tapo vienu svarbiausių skaitmeninės civilizacijos pagrindų
Gamtoje silicis beveik niekada neaptinkamas didelių grynojo elemento kristalų pavidalu, nes jis labai lengvai jungiasi su deguonimi. Kvarce, lauko špatuose ir nesuskaičiuojamoje daugybėje silikatinių mineralų jis yra oksiduotos būsenos.
Pramoninė silicio istorija prasidėjo išmokus atskirti silicį nuo deguonies ir kitų elementų, o vėliau buvo kuriami vis pažangesni jo gryninimo metodai.
Elektronikos revoliucijai reikėjo ne šiaip silicio, o itin gryno silicio su kontroliuojama kristaline struktūra. Net labai maži nepageidaujamų elementų kiekiai gali smarkiai pakeisti puslaidininkio elektrines savybes.
Polikristalinio silicio gamyba tapo jungiamąja grandimi tarp žaliavų chemijos ir kristalų inžinerijos. Iš išgryninto polikristalinio silicio lydalo galima formuoti luitus saulės elementams arba jį naudoti dideliems monokristalams, skirtiems mikroelektronikai, auginti.
Taip vienas gausiausių Žemės plutos elementų tapo medžiaga, kuriai gausa mažiau svarbi nei nepaprastai tiksli struktūros ir grynumo kontrolė.
Silicis įgijo technologinę vertę, kai žmonės išmoko ne tik jį išgauti, bet ir kontroliuoti beveik kiekvieną jo kristalo aspektą – nuo priemaišų iki atomų orientacijos.
Daugybės kristalų miestas
Išlydytame silicyje beveik tuo pačiu metu gimė keli maži kristalai.
Kiekvienas pradėjo augti sava kryptimi.
„Jei visi nebūsime orientuoti vienodai, niekada netapsime vienu kūnu“, – pasakė pirmasis kristalas.
Tačiau temperatūra toliau krito, o kristalai vis didėjo.
Galiausiai jų kraštai susitiko.
Jų gardelės nesutapo tobulai. Tarp jų atsirado riba.
„Matai? – tarė pirmasis. – Mes vis dar skirtingi.“
„Taip, – atsakė antrasis. – Bet dabar mūsų riba nėra tarpas. Ji tapo vieta, kurioje mes susijungėme.“
Kai visas lydalas sukietėjo, vieno tobulo kristalo nebuvo. Jų buvo milijonai – ir kartu jie tapo viena veikiančia medžiaga.
Tai nėra senovinė legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikrojo grūdelių augimo polikristaliniame silicyje.
Daugybės krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu kurti didesnę sistemą, veikiančią visų jos dalių dėka
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integravimu ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai įrodytas poveikis žmonėms.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savo kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Dviejų žmonių ar idėjų skirtumas gali tapti ne tik konflikto šaltiniu, bet ir pačia jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali rastis vienu metu daugelyje vietų, o vėliau susijungti į vieną sistemą.
Puslaidininkis
Gebėjimas kontroliuoti, kada energija teka, o kada jos srautas sustoja, gali simbolizuoti sąmoningai nustatytas ribas ir kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunamą energiją galima ne tik sugerti, bet ir paversti naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti skirtingų savo dalių – kartais būtent jos sukuria įdomiausią jos struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kai turite keletą skirtingų užduočių, gebėjimų ar žmonių ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą, neverčiant visų dalių tapti vienodomis.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norėtumėte veiksmingiau organizuoti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelias atskiras sritis ir kiekvienoje įrašykite po vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Šalia kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kurios jos krypties nereikėtų prievarta keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sąsają, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Tvirtesnis ryšys
Pasirinkite vieną nedidelį pokytį, kuris pagerintų sąveiką ties šia konkrečia riba: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Kartojami žodžiai
Padėkite polikristalinį silicį diagramos centre ir tris kartus ištarkite:
Išsaugau kiekvieną kryptį ir stiprinu kiekvieną ryšį,
iš daugybės atskirų dalių kuriu jas pranokstančią veikiančią visumą.
Užbaigimas
Ištarkite: „Vienybei nereikia vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš stiprinu vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Kokia jo cheminė formulė?
Kuo polikristalinis silicis skiriasi nuo monokristalinio silicio?
Kas yra grūdelių riba?
Ar kiekvienas polikristalinio silicio grūdelis yra tikras kristalas?
Koks silicio kietumas?
Koks jo tankis?
Kodėl polikristalinis silicis atrodo tarsi mozaika?
Kas yra polisilicis?
Ar polikristalinis silicis naudojamas saulės elementuose?
Kodėl grūdelių ribos svarbios saulės elementuose?
Ar polisilicis naudojamas mikroelektronikoje?
Ką polikristalinis silicis simbolizuoja šiuolaikinėje vaizduotėje?
Polikristalinis silicis rodo, kad veikiančią struktūrą galima sukurti ne panaikinant skirtumus, o kruopščiai organizuojant vietas, kuriose susitinka skirtingos kryptys
Jo istorija prasideda nuo to paties silicio atomo, kuris gamtoje dažniausiai slypi 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 sieja chemiją, kristalų fiziką, saulės energetiką ir mikroelektroniką. Simboline kalba ji gali priminti, kad sudėtingai visumai nebūtinai reikia vienos krypties – kartais jos stiprybė atsiskleidžia todėl, kad daugybė skirtingų kristalų išmoksta egzistuoti viename kūne.