Polikristalinis silicis

Polikristalinis silicis

Elementinis silicis, sudarytas ne iš vieno ištisinio kristalo, o iš daugelio skirtingomis kryptimis orientuotų kristalinių grūdelių

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.

Cheminis elementas Si Daugybė kristalinių grūdelių Deimanto tipo kubinė gardelė Puslaidininkinė medžiaga Bendradarbiavimo, struktūros ir daugelio krypčių vienybės aura
Kas tai Elementinis silicis, sudarytas iš daugelio tarpusavyje suaugusių kristalinių grūdelių
Cheminė tapatybė Si – tas pats elementas kaip ir monokristaliniame silicyje, tačiau susitelkęs į kitokią kristalinę sandarą
Skiriamasis požymis Grūdelių ribos, kuriose susitinka skirtingomis kryptimis orientuotos silicio gardelės
Simbolinė aura Daugybė savarankiškų krypčių, kurioms nebūtina būti vienodoms, kad drauge sudarytų veikiančią visumą
Kas yra polikristalinis silicis?

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.

Fizikinės ir elektroninės savybės

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
Silicio atominė gardelė

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.

Kristaliniai grūdeliai ir jų ribos

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.

Kaip gaminamas polikristalinis silicis

Norint iš silicio dioksido gauti elektronikai tinkamo grynumo medžiagą, reikia ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas nepageidaujamas priemaišas

1

Silicio dioksido žaliava

Pramoninės gamybos procesas paprastai prasideda nuo kvarco arba kitos medžiagos, kurioje labai daug silicio dioksido.

2

Redukcija anglimi

Aukštoje temperatūroje pašalinamas deguonis ir gaunamas metalurginio grynumo elementinis silicis.

3

Silicis paverčiamas lakiaisiais junginiais

Kad silicį būtų galima itin tiksliai išgryninti, jis cheminiu būdu paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.

4

Junginiai gryninami

Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūra ir cheminės savybės skiriasi nuo norimo silicio junginio.

5

Nusodinamas grynas silicis

Aukštoje temperatūroje dujinis silicio turintis junginys skyla, o elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.

6

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.

Kaip susidaro multikristalinė struktūra

Auštant išlydytam siliciui, daugelyje vietų vienu metu atsiranda kristalų užuomazgų, kurios auga, kol susiliečia

1

Silicis išlydomas

Viršijus lydymosi temperatūrą, tolimoji kristalinė tvarka išnyksta, o atomai juda skystame lydale.

2

Temperatūra pradeda kristi

Lydalui auštant, susidaro sąlygos atomams vėl susijungti į deimanto tipo kubinę kristalinę gardelę.

3

Susidaro daug užuomazgų

Įvairiose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.

4

Kristalai didėja

Kiekviena užuomazga auga sava kristalografine orientacija, prisijungdama vis daugiau silicio atomų.

5

Grūdeliai susiliečia

Augančių kristalų frontai pasiekia vienas kitą ir nebegali toliau tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.

6

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.

Saulės elementai

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.

Elektronikos pasaulis

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.

Polikristalinis ir monokristalinis silicis

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.

Silicio technologinė istorija

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.

Šiuolaikinis simbolinis pasakojimas

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.

Aura ir šiuolaikinė simbolika

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.“

Klausimai ir atsakymai

Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį

Kas yra polikristalinis silicis?
Tai elementinis kristalinis silicis, sudarytas iš daugybės skirtingomis kryptimis orientuotų kristalinių grūdelių.
Kokia jo cheminė formulė?
Tai elementinis silicis, todėl jo cheminis simbolis yra Si.
Kuo polikristalinis silicis skiriasi nuo monokristalinio silicio?
Monokristaliniame silicyje beveik visa medžiaga turi vieną kristalografinę orientaciją, o polikristalinis silicis yra suskirstytas į daugybę atskirų grūdelių.
Kas yra grūdelių riba?
Tai sritis, kurioje susitinka dvi skirtingai orientuotos silicio kristalinės gardelės.
Ar kiekvienas polikristalinio silicio grūdelis yra tikras kristalas?
Taip. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkinga kristaline gardele.
Koks silicio kietumas?
Maždaug 6,5–7 pagal Moso skalę.
Koks jo tankis?
Apie 2,33 g/cm³.
Kodėl polikristalinis silicis atrodo tarsi mozaika?
Skirtingomis kryptimis orientuoti grūdeliai skirtingai atspindi šviesą ir skirtingai reaguoja į paviršiaus tekstūravimą.
Kas yra polisilicis?
Pramonėje šis terminas dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį, naudojamą kaip žaliavą saulės energetikos technologijose ir kristalams auginti.
Ar polikristalinis silicis naudojamas saulės elementuose?
Taip. Daugelį metų jis buvo viena pagrindinių kristalinio silicio fotovoltinių elementų medžiagų.
Kodėl grūdelių ribos svarbios saulės elementuose?
Jose gali vykti papildoma elektronų ir skylių rekombinacija, todėl dalis šviesos sukurtų krūvininkų nepasiekia elektrodų.
Ar polisilicis naudojamas mikroelektronikoje?
Taip. Ploni polikristalinio silicio sluoksniai buvo ir tebėra naudojami įvairiose tranzistorių, rezistorių, jutiklių ir mikromechaninėse struktūrose.
Ką polikristalinis silicis simbolizuoja šiuolaikinėje vaizduotėje?
Daugybės skirtingų krypčių bendradarbiavimą, struktūrinę vienybę ir gebėjimą stiprinti ribas tarp savarankiškų sistemos dalių.
Daugybė deimanto tipo gardelę turinčių silicio kristalų, sujungtų į vieną puslaidininkinį kūną

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.

Grįžti į tinklaraštį