Silicis
Linas JuozėnasDalytis
Silicis: tetraedrinis elementas, siejantis akmenį, stiklą, šviesą ir logiką
Silicis susieja du mastelius, kurie retai aptariami pasakojant apie tą pačią medžiagą. Žemės plutoje jis sudaro karkasus, grandines, sluoksnius ir atskirus tetraedrus, kurių centre yra deguonis ir iš kurių susidaro kvarcas, lauko špatas, molis, žėrutis, piroksenas, amfibolas ir daugybė kitų mineralų. Išgrynintas iki elementinės formos, tas pats atomas tampa tiksliai kontroliuojamu puslaidininkiu, kurio laidumą galima keisti itin mažais boro, fosforo ir kitų panašių legiruojančių priemaišų kiekiais. Jo vertę lemia ne metalo gausa ar brangakmenio spalva, o struktūra: keturi kovalentiniai ryšiai, stabilus oksidas, keičiamas draustinės juostos plotis ir gamybos sistema, leidžianti ant poliruoto kristalo paviršiaus suformuoti milijardus įtaisų.
Trumpi faktai
Elementinis silicis yra kovalentiniais ryšiais susietas puslaidininkis, o ne įprastas metalas. Jo poliruotas paviršius gali atrodyti metališkas, tačiau elektrinės savybės, trapus lūžis, optinė sugertis ir kristalinė struktūra, kurioje kiekvienas atomas turi keturis kaimynus, priskiria jį kitai medžiagų kategorijai. Beveik visas gamtoje aptinkamas silicis yra chemiškai susijungęs su deguonimi ir kitais elementais; kolekcijoms tinkamo dydžio elementinio silicio pavyzdžiai paprastai būna išgryninti arba užauginti laboratorijoje.
| Terminas | Reikšmė | Svarbus skirtumas |
|---|---|---|
| Silicis | Cheminis elementas Si, esantis elementinės medžiagos, lydinio, kristalinės, polikristalinės arba amorfinės medžiagos pavidalu. | Elementinis silicis nėra nei kvarcas, nei lankstus silikono polimeras. |
| Silicio dioksidas | Silicio dioksidas, SiO₂, aptinkamas kvarco, tridimito, kristobalito, koezito, stišovito, opalo, stiklo ir giminingais pavidalais. | Silicio diokside yra deguonies, o jo savybės labai skiriasi nuo elementinio silicio savybių. |
| Silikatas | Didelė mineralų ir medžiagų grupė, kurios sandaros pagrindą sudaro silicio ir deguonies tetraedrai, susieti su metalais ir kitais katijonais. | Lauko špatas, žėrutis, molis, piroksenas, amfibolas, olivinas ir granatas yra silikatai, o ne elementinis silicis. |
| Silikonas | Sintetinių polisiloksaninių medžiagų šeima, kurios polimerų pagrindinėje grandinėje pakaitomis išsidėstę silicio ir deguonies atomai. | Silikonai gali būti panašūs į gumą, skysti, dervingi arba lipnūs; jie nėra elementinis silicis. |
| Silicio karbidas | SiC – kieta kovalentinė keramika, gamtoje aptinkama kaip retas moisanitas ir gaminama įvairiomis techninėms reikmėms skirtomis formomis. | Jis kietesnis, tankesnis ir optinėmis savybėmis skiriasi nuo elementinio silicio. |
| Polisilicis | Didelio grynumo polikristalinis silicis, nusodinamas strypų, gabalų ar granulių pavidalu puslaidininkių ir fotovoltinių gaminių gamybai. | Pavadinimas nurodo daugybę kristalinių grūdelių, o ne silicio turintį polimerą. |
| Monokristalinis silicis | Vientisas kristalas, kurio visame naudojamame tūryje kristalografinė orientacija yra vienoda. | Dauguma integrinių grandynų plokštelių gaminamos iš kruopščiai išaugintų monokristalinių luitų. |
| Amorfinis silicis | Nekristalinis silicis, nusodinamas kaip plona plėvelė, dažniausiai hidrinamas siekiant sumažinti elektroninių defektų skaičių. | Jam nebūdinga plokštelės kristale esanti deimanto tipo kubinės sandaros tolimoji tvarka. |
Tapatybė, pavadinimas ir riba tarp elemento bei mineralo
Silicis yra elementas, o ne bendras visų silicio turinčių medžiagų pavadinimas. Šis skirtumas svarbus, nes elementinis silicis yra tamsus, neskaidrus, trapus puslaidininkis, turintis deimanto tipo kubinę sandarą, o kvarcas yra skaidrus arba pusiau skaidrus silicio dioksidas, o silikonas – sintetinis polimeras.
Pavadinimo ištakos siekia žodžius, susijusius su titnagu ir kietu akmeniu. Ankstyvieji chemikai suprato, kad silicio diokside veikiausiai yra nežinomas elementas, gerokai anksčiau, nei sugebėjo jį išskirti. Šiuolaikinė angliška forma silicon buvo priimta dar neturint pakankamai grynų mėginių išsamiems fiziniams tyrimams.
Apie gamtinį elementinį silicį pranešta tiriant retus meteoritus ir stipriai redukuojančias Žemės aplinkas, tačiau tokie radiniai paprastai yra mikroskopiniai ir turi būti patvirtinti analitiniais tyrimais. Delno dydžio bandinys, pažymėtas „silicis“, beveik visada yra pramoninė medžiaga: metalurginis silicis, polisilicis, iš lydalo išaugintas kristalas, plokštelė arba apdorotas komponentas.
Elementinis silicis
Kovalentinis kristalas, sudarytas tik iš silicio atomų, neskaitant legiruojančiųjų priedų, priemaišų, paviršinio oksido ir apdorojimo metu susidariusių sluoksnių.
Silicio dioksidas
Kristalinės, stikliškosios, opalinės arba aukšto slėgio formos silicio dioksidas. Jo deguonies karkasas lemia visiškai kitokias optines ir chemines savybes.
Silikatiniai mineralai
Mineralai, kuriuose silicio ir deguonies tetraedrai jungiasi su aliuminiu, magniu, geležimi, kalciu, natriu, kaliu ir kitais elementais.
Silicio lydiniai
Ferosilicyje ir aliuminio bei silicio lydiniuose yra nemažai silicio, tačiau jie pasižymi daugiafazių metalinių medžiagų, o ne grynų puslaidininkių savybėmis.
Silikonai
Pramoniniu būdu gaminami polimerai, kurių lankstumą, sandarinamąsias savybes, terminį stabilumą ir paviršiaus savybes lemia pagrindinė Si–O grandinė su organinėmis šoninėmis grupėmis.
Kolekcininkų terminija
Aprašymuose reikėtų nurodyti, ar bandinys yra metalurginio grynumo, polisilicis, monokristalinis, polikristalinis, plokštelėms skirta medžiaga, padengtas danga, legiruotas ar apdorotas.
Atominė architektūra: kodėl keturi ryšiai viską keičia
Esant įprastam slėgiui, kristalinis silicis turi deimanto tipo kubinę sandarą. Kiekvienas atomas susijungia su keturiais kaimyniniais atomais, išsidėsčiusiais tetraedro viršūnių kryptimis. Šis atviras, kryptingas tinklas paaiškina silicio trapumą, skalumą, puslaidininkinę juostinę sandarą, palyginti mažą tankį ir neįprastą plėtimąsi kietėjant.
Tetraedrinė koordinacija
Kiekvienas silicio atomas sudaro keturis stiprius kovalentinius ryšius, kurių idealus tarpusavio kampas yra apie 109,5°. Ši geometrija kartojasi kristale trimis matmenimis.
Deimanto tipo kubinė gardelė
Šią sandarą galima apibūdinti kaip dvi viena į kitą įsiskverbiančias, viena kitos atžvilgiu paslinktas kubines centruotų sienų pogardeles.
Skalumas ir lūžis
Monokristalai gali skilti išilgai {111} plokštumų. Nuolaužose taip pat matyti lenkti kriaukliškojo lūžio paviršiai, ypač ten, kur lūžis neina viena aiškia plokštuma.
Plėtimasis kietėjant
Skystame silicyje atomai išsidėstę tankiau nei atviroje tetraedrinėje kietojo silicio sandaroje, todėl kietėdama medžiaga plečiasi – tai neįprasta savybė, būdinga ir vandeniui bei kelioms giminingoms medžiagoms.
Aukšto slėgio struktūros
Veikiamas itin didelio slėgio, silicis virsta tankesnėmis fazėmis, pasižyminčiomis metalinėmis savybėmis. Tai rodo, kad elektrinės savybės priklauso ne tik nuo sudėties, bet ir nuo atomų išsidėstymo.
Izotopinė sandara
Gamtiniame silicyje vyrauja ²⁸Si, o ²⁹Si ir ³⁰Si yra mažiau. Izotopinis gryninimas svarbus tiksliojoje metrologijoje ir kai kuriuose kvantinių prietaisų tyrimuose.
Monokristalas
Viena ištisinė kristalografinė orientacija leidžia numatyti elektroninę pernašą, kontroliuoti skilimą ir užtikrinti prietaisų gamybos atkartojamumą.
Polikristalinis silicis
Daugybė skirtingai orientuotų grūdelių susiliečia ties ribomis, kurios gali sugauti krūvį, sklaidyti krūvininkus, telkti priemaišas arba palengvinti lūžimą.
Amorfinis silicis
Tolimosios tvarkos nėra. Naudojant plonasluoksnėje elektronikoje, daugybė nutrūkusių ryšių paprastai pasyvinami vandeniliu.
Porėtasis ir nanostruktūrinis silicis
Kontroliuojamu ėsdinimu arba auginimu sukuriamos poros, vielos, dalelės ir fotoninės struktūros, kurių savybės skiriasi nuo tūrinio kristalo savybių.
Silicis Žemėje: tetraedrai, dūlėjimas, nuosėdos ir gyvybė
Silicis yra antras pagal masę gausiausias elementas Žemės plutoje, tačiau didžioji jo dalis susijungusi su deguonimi. SiO₄ tetraedras yra vienas svarbiausių mineralogijos struktūrinių vienetų; šie tetraedrai jungiasi įvairiais būdais ir sudaro uolienas nuo mantijos iki žemynų paviršiaus.
| Struktūrinis išsidėstymas | Kaip jungiasi tetraedrai | Būdingos medžiagos |
|---|---|---|
| Pavieniai tetraedrai | Kiekvienas SiO₄ vienetas išlieka atskiras ir su kitais susiejamas per kitus katijonus. | Olivinas, granatas, cirkonas ir daugelis mantijos ar metamorfinių mineralų. |
| Porinės grupės ir žiedai | Tetraedrai dalijasi tam tikrais deguonies atomais ir sudaro dvigubus vienetus arba uždarus žiedus. | Epidoto grupės struktūros, berilas, turmalinas ir giminingi mineralai. |
| Viengubos grandinės | Kiekvienas tetraedras dalijasi dviem deguonies atomais išilgai nusidriekiančios grandinės. | Piroksenai, tokie kaip augitas, diopsidas ir enstatitas. |
| Dvigubos grandinės | Dvi tetraedrų grandinės periodiškai susijungia į platesnes juostas. | Amfibolai, tokie kaip ragena ir tremolitas. |
| Sluoksniai | Kiekvienas tetraedras dalijasi trimis deguonies atomais ir sudaro plačius sluoksnius. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasai | Visos keturios tetraedro viršūnės dalyvauja trimačiame tinkle. | Lauko špatai, feldšpatoidai, ceolitai, kvarcas ir kvarcinis stiklas. |
Magminės uolienos
Silicio kiekis ir prisotinimas silicio dioksidu padeda nulemti magmos klampą, mineralų asociaciją, išsiveržimo pobūdį ir tai, ar kristalizuosis kvarcas, lauko špatas, piroksenas, olivinas, ar feldšpatoidai.
Dūlėjimas ir dirvožemis
Dūlant silikatams išsiskiria ištirpusi silicio rūgštis ir susidaro molio mineralai, o per geologinius laikotarpius sunaudojamas atmosferos anglies dioksidas.
Smėlis ir nuosėdos
Kvarcas išlieka per daugelį dūlėjimo ciklų ir kaupiasi smėlyje, smiltainyje, paplūdimių nuogulose, kopose ir upių sistemose.
Biogeninis silicio dioksidas
Titnagdumbliai, radioliarijos, daugelis pinčių ir augalų fitolitai sudaro struktūras iš hidratuoto arba amorfinio silicio dioksido, paimto iš vandens ar dirvožemio.
Silicio elgsena Žemės gelmėse
Mantijoje silicis įeina į aukšto slėgio silikatų sudėtį. Esant dar didesniam slėgiui, koordinacija kinta ir tankios struktūros tampa stabilios.
Silicio dioksido diagenezė
Biogeninis opalas ir vulkaninis stiklas, palaidoti po nuosėdomis, gali persitvarkyti į opalą-CT, chalcedoną arba kvarcą, todėl kinta poringumas ir uolienos stiprumas.
Fizinės, šiluminės, cheminės ir optinės savybės
Etaloninės vertės priklauso nuo temperatūros, kristalo orientacijos, priemaišų koncentracijos, krūvininkų tankio, grūdelių struktūros ir paviršiaus apdorojimo. Todėl puslaidininkinės kokybės monokristalo savybės yra atkuriamesnės nei metalurginio silicio gabalo, kuriame yra geležies, aliuminio, kalcio, anglies ir kitų priemaišų.
| Savybė | Tipinė vertė arba elgsena | Praktinė reikšmė |
|---|---|---|
| Atominis skaičius | 14. | Nulemia silicio vietą 3-iajame periode tarp aliuminio ir fosforo bei anglies grupėje. |
| Standartinė atominė masė | 28,085. | Atspindi natūralų trijų stabiliųjų izotopų mišinį. |
| Kristalinė sistema | Kubinė, deimanto struktūros; erdvinė grupė Fd3̅m. | Lemia skalumą, anizotropines mechanines savybes, elektronines energijos juostas ir plokštelės orientaciją. |
| Tankis | Maždaug 2,329 g/cm³, kai temperatūra artima kambario temperatūrai. | Lengvesnis už galenitą, hematitą, silicio karbidą ir daugumą metališkai atrodančių panašių medžiagų. |
| Kietumas | Maždaug 6,5–7 pagal Moso skalę. | Atsparus įbrėžimams įprastu plienu, tačiau jį gali subraižyti kvarcas, korundas, deimantas ir kietos abrazyvinės dulkės. |
| Skeltumas ir lūžis | Ryškus skeltumas pagal {111} plokštumas; kitomis kryptimis lūžis kriaukliškas arba nelygus. | Plonos plokštelės ir aštrios nuolaužos gali staiga lūžti lenkiamos arba spaudžiant jų kraštą. |
| Lydymosi temperatūra | Maždaug 1414 °C. | Leidžia auginti kristalus iš lydalo, tačiau tam reikia aukštai temperatūrai atsparių, kontroliuojamų kristalų gamybos sistemų. |
| Virimo temperatūra | Maždaug 3265 °C. | Svarbi apdorojant aukštoje temperatūroje ir kontroliuojant užterštumą garų fazėje. |
| Šilumos laidumas | Didelio grynumo monokristalo, esant artimai kambario temperatūrai, – maždaug 148 W/m·K. | Didelis, palyginti su kitais puslaidininkiais ir į keramiką panašiomis kietosiomis medžiagomis, tačiau mažesnis nei vario ar sidabro. |
| Šiluminis plėtimasis | Nedidelis; jo kryptinį pobūdį riboja kubinė kristalinė gardelė. | Naudingas tiksliuosiuose prietaisuose, nors dėl temperatūros gradientų plokštelės vis tiek gali trūkti. |
| Draustinės juostos plotis | Netiesioginė draustinė juosta, kurios plotis kambario temperatūroje yra maždaug 1,12 eV. | Tinka elektronikai ir saulės energijai versti elektra, tačiau šviesą spinduliuoja ne taip efektyviai kaip tiesioginės draustinės juostos puslaidininkiai. |
| Regimosios šviesos optika | Stipriai sugeria šviesą ir įprastu masyviu pavidalu atrodo nepermatomas. | Poliruotos plokštelės po paviršiaus dangomis atrodo tamsiai pilkos, rusvai pilkos arba beveik juodos. |
| Infraraudonoji optika | Didelis lūžio rodiklis ir praktiniam naudojimui tinkamas pralaidumas kai kuriose artimosios ir vidutinės infraraudonosios spinduliuotės srityse. | Leidžia gaminti infraraudonuosius lęšius, langelius, jutiklius ir integruotosios fotonikos įtaisus. |
| Natūralus paviršiaus oksidas | Ore savaime susidaro plona silicio oksido plėvelė; storesnis aukštos kokybės oksido sluoksnis pramonėje auginamas arba nusodinamas. | Pasyvina paviršių ir sudaro technologiškai vertingą sandūrą. |
| Cheminės savybės | Dėl paviršiaus oksido yra stabilus vandenyje ir kambario temperatūroje atsparus daugeliui rūgščių; jį veikia specializuoti ėsdikliai ir stiprūs šarmai. | Valyti buitinėmis priemonėmis paprastai nereikia; taip galima pažeisti dangas arba metalizacijos sluoksnius. |
Puslaidininkių fizika: krūvininkai, legiruojančiosios priemaišos, sandūros ir tarpfazinės ribos
Gryname kristaliniame silicyje kambario temperatūroje, palyginti su metalu, yra labai mažai judriųjų krūvininkų. Jo praktinė nauda atsiskleidžia, kai temperatūra, šviesa, elektriniai laukai ir kruopščiai parinktos priemaišos pakeičia elektronų bei skylių skaičių ir judėjimą.
Savasis silicis
Šiluminė energija retkarčiais perkelia elektroną per draustinę juostą, palikdama judrią neužimtą būseną, vadinamą skyle. Elektronų ir skylių yra po lygiai.
n tipo silicis
Donorų atomai, pavyzdžiui, fosforo, arseno ar stibio, suteikia elektronų, kurie kristalu juda lengviau nei savieji krūvininkai.
p tipo silicis
Akceptorių atomai, dažniausiai boro, sukuria judriąsias skyles, kurios valentinės juostos struktūroje veikia kaip teigiamojo krūvio nešikliai.
p–n sandūra
Ten, kur susiliečia p tipo ir n tipo sritys, persiskirstant krūviui susidaro vidinis elektrinis laukas. Diodų, fotodiodų, tranzistorių ir saulės elementų veikimas priklauso nuo šios sandūros savybių.
MOS sandūra
Kontroliuojamomis sąlygomis suformuotas oksido ar panašaus dielektriko sluoksnis atskiria užtūros elektrodą nuo silicio. Tuomet elektriniai laukai ties sandūra sukuria arba panaikina laidųjį kanalą.
Defektai ir gaudyklės
Vakansijos, dislokacijos, priemaišos, grūdelių ribos, nesotieji ryšiai ir užteršti paviršiai gali pagauti krūvį arba sutrumpinti krūvininkų gyvavimo trukmę.
| Medžiagos būsena | Vyraujantys krūvininkai | Kaip gaunama | Įprasta paskirtis |
|---|---|---|---|
| Savasis silicis | Vienodas skaičius šiluminiu būdu sukurtų elektronų ir skylių. | Ypač grynas kristalas be sąmoningai įterptų elektriškai aktyvių legiruojančiųjų priemaišų. | Atskaitos taškas vertinant savybes, detektorių medžiaga ir pradinis įtaisų projektavimo pagrindas. |
| n tipo silicis | Elektronai. | Tikslingas legiravimas donorinėmis priemaišomis, dažnai fosforu, arsenu arba stibiu. | Tranzistorių sritys, kontaktai, diodai, jutikliai ir saulės elementų struktūros. |
| p tipo silicis | Skylės. | Tikslingas legiravimas akceptorinėmis priemaišomis, dažniausiai boru. | Padėklai, tranzistorių sritys, sandūros, jutikliai ir fotovoltiniai įtaisai. |
| Kompensuotasis silicis | Lemia donorinių ir akceptorinių atomų pusiausvyra. | Yra abiejų tipų legiruojančiųjų priemaišų, įterptų tikslingai arba patekusių dėl užteršimo. | Tikslus savitosios varžos valdymas arba nepageidaujamų priemaišų poveikio kompensavimas. |
| Degeneruotai legiruotas silicis | Labai didelė elektronų arba skylių koncentracija. | Intensyvus legiravimas implantavimo, difuzijos arba kristalo auginimo metu. | Mažos varžos kontaktai ir sritys, iš dalies pasižyminčios laidininkų savybėmis. |
Nuo kvarco iki elektronikai skirto kristalo
Silicio gamyba – tai seka etapų, kuriuose vis tiksliau valdoma cheminė sudėtis ir struktūra. Kvarcas redukuojamas iki metalurginio silicio, šis gryninamas pasitelkiant lakiuosius junginius, nusodinamas kaip polisilicis, kristalizuojamas į luitą, supjaustomas plokštelėmis, o tada per šimtus griežtai kontroliuojamų technologinių etapų jame formuojamos struktūros.
- Karboterminė redukcijaDidelio grynumo kvarcas arba kvarcitas reaguoja su anglimi krosnyje su panardintu elektros lanku. Supaprastinta bendroji reakcija: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Metalurginio grynumo silicisKrosnyje gautame produkte paprastai būna apie 98–99 % silicio, o priemaišų kiekis vis dar gerokai per didelis pažangiajai elektronikai.
- Cheminis virsmasSilicis cheminėmis reakcijomis paverčiamas lakiaisiais chlorsilanais arba silanu, todėl jį galima pakartotinai distiliuoti ir chemiškai gryninti.
- Polisilicio nusodinimasIšgrynintos dujos skyla ant įkaitintų paviršių arba verdančiojo sluoksnio sistemose ir sudaro itin grynus strypus arba granules.
- Kristalų auginimasTraukiant kristalą Čochralskio metodu arba gryninant zoninio lydymo be tiglio metodu gaunami kontroliuojamų savybių monokristalai; liejant arba taikant kryptingąjį kietinimą gaunama multikristalinė medžiaga.
- Plokštelių gamybaPrieš pradedant įtaisų gamybą, luitai orientuojami, supjaustomi plokštelėmis, jų kraštai užapvalinami, o paviršiai gludinami, ėsdinami ir poliruojami.
Kvarcas redukuojamas aukštoje temperatūroje
Elektrinėje krosnyje vykstančiose cheminėse reakcijose anglies turinčios medžiagos pašalina deguonį, ir susidaro išlydytas silicis su kontroliuojamu, bet vis dar dideliu priemaišų kiekiu.
Silicis paverčiamas gryninti tinkamomis dujomis
Lakieji junginiai leidžia cheminio apdorojimo būdu atskirti borą, fosforą, metalus, anglies turinčias chemines daleles ir kitus teršalus.
Nusodinamas itin grynas polisilicis
Grynumas, kurio procentinėje išraiškoje yra daug devynetų, pasiekiamas todėl, kad kiekviename apdorojimo etape pašalinamos arba atskiriamos priemaišos, kurios kitaip pakeistų krūvininkų gyvavimo trukmę ir savitąją varžą.
Nustatoma kristalo orientacija
Sėklinis kristalas nukreipia augimą taip, kad augančiame luite būtų išlaikyta pasirinkta orientacija ir kontroliuojama legiruojančiųjų priemaišų koncentracija.
Luitas paverčiamas plokštelėmis
Pjaunant vieliniu pjūklu gaunami ploni diskai. Apdorojant kraštus, chemiškai ėsdinant ir taikant cheminį mechaninį poliravimą sukuriamas plokščias, mažai defektų turintis paviršius.
Įtaisai formuojami sluoksniais
Oksiduojant, nusodinant, taikant litografiją, ėsdinant, implantuojant, vykdant difuziją, valant, atkaitinant ir metalizuojant visoje plokštelėje sukuriamos elektroninės struktūros.
Pramoninės formos, kristalų tipai ir kolekciniai pavyzdžiai
Elementinio silicio pavyzdžiai paprastai yra gamybos produktai, o ne geologinių ekspedicijų radiniai. Todėl naudingiausia informacija apie jų kilmę yra pramoninė: gamybos procesas, grynumo klasė, auginimo metodas, kristalo orientacija, danga, gamintojas, data ir pirminė paskirtis.
Metalurginis silicis
Tamsūs, plieno pilkumo gabalai su blizgiais lūžio paviršiais, netolygiai pasiskirsčiusiomis priemaišomis, stiklišku lūžiu ir kartais melsva ar bronzine paviršiaus apnaša.
Polisilicio strypas
Didelio grynumo nusodintas silicis, kurio paviršius aplink centrinį siūlą yra matinis, gumbuotas, grūdėtas arba primena žiedinį kopūstą.
Polikristalinio silicio granulės
Smulkios birios dalelės, pagamintos taip, kad jas būtų patogu tvarkyti ir lydyti auginant kristalus ar gaminant fotovoltinius įtaisus.
Monokristalinis luitas
Cilindrinis ar kitokios formos kristalas, kurio orientacija, skersmuo, deguonies kiekis, legiravimo priemaiša ir savitoji elektrinė varža yra kruopščiai kontroliuojami.
Veidrodiškai poliruota plokštelė
Plonas, itin plokščias diskas su įranta arba tiesia briaunos atkarpa orientacijai nustatyti. Spalvą gali suteikti oksido, nitrido, fotorezisto ar daugiasluoksnės plėvelės.
Daugiakristalė plokštelė
Pjūvis, kuriame yra daug kristalinių grūdelių, dažnai išryškėjančių dėl ėsdintų ribų, kryptingos tekstūros ar skirtingo atspindžio.
Dendritinis silicis
Šakotos kristalų formos, išaugintos iš lydalo kontroliuojamai aušinant, o ne susidariusios mineralams įprastai augant gamtoje.
Amorfinio silicio plėvelė
Plonas nusodintas sluoksnis, naudojamas elektronikoje, detektoriuose, ekranuose ir fotovoltinėse struktūrose, o ne atskiras kolekcinis kristalas.
Czochralskio metodu išaugintas silicis
Auginamas iš lydalo silicio dioksido tiglyje. Jame gali būti kontroliuojamas deguonies kiekis, turintis įtakos mechaniniam stipriui ir defektų elgsenai.
Silicis, išaugintas zoninio lydymo be tiglio metodu
Siaura išlydyta zona slenka išilgai strypo nenaudojant tiglio, todėl gaunamas silicis, pasižymintis itin mažu deguonies kiekiu ir didele savitąja elektrine varža.
Daugiakristalis silicis saulės elementams
Tradiciškai būdavo liejamas į blokus, kuriuose yra daug kristalinių grūdelių. Dėl grūdelių ribų ir priemaišų būtina pasyvacija bei kruopštus saulės elementų projektavimas.
Technologiškai apdorotas lustas
Atpjautas plokštelės gabalėlis su tranzistoriais, jutikliais, jungiamaisiais laidininkais, optinėmis struktūromis ar bandomaisiais raštais. Matomas jo spalvas daugiausia suteikia paviršinės plėvelės.
Istorinė plokštelė
Dokumentuotą kilmę turinti plokštelė, susijusi su atpažįstama mokslinių tyrimų programa, gamybos linija, įtaisų karta ar institucija, gali turėti technologinę reikšmę, viršijančią jos medžiaginę vertę.
Retas grynuolis silicis
Natūralūs elementinio silicio grūdeliai paprastai yra mikroskopiniai, nustatomi analitiniais metodais ir būna įsiterpę meteorite arba neįprastoje Žemės kilmės matricoje, o ne parduodami kaip dideli atskiri kristalai.
Paviršiaus chemija, plonųjų plėvelių spalvos ir infraraudonoji šviesa
Nepadengtas silicis natūraliai nėra ryškiai mėlynas, violetinis ar auksinis. Šios spalvos paprastai atsiranda šviesai atsispindint tiek nuo viršutinės, tiek nuo apatinės plonos skaidrios plėvelės ribos. Net nedideli oksido ar nitrido storio pokyčiai smarkiai pakeičia interferencinę spalvą.
Savaiminis oksidas
Veikiant orui susidaro labai plonas oksido sluoksnis, kuris chemiškai pasyvuoja paviršių, tačiau gali būti per plonas ryškiai matomai spalvai sukurti.
Terminis oksidas
Kontroliuojamai oksiduojant sukuriamas tankus SiO₂ sluoksnis, kurio storį galima matuoti optiniais metodais ir parinkti izoliavimui, maskavimui bei paviršiaus savybių valdymui.
Silicio nitridas
Si₃N₄ dangos naudojamos pasyvacijai, mechaninių įtempių valdymui, maskavimui ir atspindžiui mažinti. Jų interferencinės spalvos gali būti panašios į oksido spalvas arba už jas ryškesnės.
Fotorezistas ir technologinės plėvelės
Organiniai rezistai, metalai, dielektrikai ir daugiasluoksnės struktūros suteikia papildomų spalvų, kurios neatspindi paties elementinio silicio tūrinės spalvos.
Skaidrumas infraraudonajai spinduliuotei
Žemiau sugerties krašto pakankamai grynas silicis praleidžia dalį infraraudonojo spektro ir pasižymi dideliu lūžio rodikliu.
Laisvųjų krūvininkų sugertis
Stipriai legiruojant atsiranda judriųjų krūvininkų, kurie sugeria infraraudonąją spinduliuotę ir susiaurina naudingą optinį langą.
| Stebimas požymis | Tikėtina priežastis | Į ką atsižvelgti vertinant |
|---|---|---|
| Vienodai plieno pilkumo lūžio paviršius | Šviežias elementinio silicio paviršius su menka dekoratyvia paviršine plėvele. | Metalurginės priemaišos gali patamsinti paviršių arba suteikti jam dėmėtumo. |
| Mėlyna, violetinė, rausva ar gintarinė plokštelė | Plonųjų plėvelių interferencija, kurią sukelia oksidas, nitridas, rezistas arba daugiasluoksnis technologinis apdorojimas. | Vien spalva neparodo legiravimo priemaišos tipo, grynumo ar įtaiso paskirties. |
| Veidrodiškai juodas poliruotas paviršius | Regimosios šviesos sugertis kartu su itin plokščiu atspindinčiu paviršiumi. | Tamsi išvaizda nereiškia, kad medžiaga yra amorfinė ar negryna. |
| Matinis polikristalinis paviršius | Daug smulkių kristalinių sienelių, grūdelių ribų, nusodintų gumburėlių arba cheminis ėsdinimas. | Tekstūra gali atsirasti gamybos metu, o ne dėl natūralios kristalizacijos. |
| Radialinės arba sūkurinės žymės ant plokštelės | Poliravimas, valymas, netolygus nusodinimas, kristalo augimo ruoželiai arba technologinio proceso likučiai. | Norint atskirti gamybos pėdsakus nuo pažeidimų, gali prireikti profesionalaus mikroskopinio tyrimo. |
| Taisyklinga įranta arba tiesi briaunos atkarpa | Gamybos metu suformuotas orientavimo ir tvarkymo elementas. | Tai nėra natūralus skilimo pažeidimas. |
Taikymo sritys: nuo uolienas sudarančių junginių chemijos iki programuojamų paviršių
Silicio reikšmė gerokai peržengia kompiuterių procesorių ribas. Jo junginiai vyrauja geologinėse medžiagose, o išgrynintas elementinis silicis naudojamas energijai keisti, jutikliuose, mechanikoje, optikoje, chemijoje ir tiksliesiems matavimams.
Stiklas ir keramika
Iš silicio dioksido ir silikatų gaminami langų stiklai, pluoštai, optinis stiklas, porcelianas, ugniai atsparios medžiagos, glazūros, laboratoriniai indai ir techninė keramika.
Cementas ir betonas
Kalcio silikatai lemia didžiąją dalį portlandcemenčio hidratacijos ir betono stiprio didėjimo.
Integriniai grandynai
Silicio plokštelėse kuriamos loginės, atminties, analoginės elektronikos, galios valdymo, ryšių ir mišriųjų signalų sistemos.
Fotovoltika
Kristalinis silicis sugeria saulės šviesą, sandūrose atskiria šviesos sukurtus krūvininkus ir tebėra daugumos įprastų saulės modulių pagrindas.
MEMS ir jutikliai
Iš mikromechaniškai apdoroto silicio gaminami akcelerometrai, slėgio jutikliai, mikrofonai, giroskopai, skysčių valdymo sistemos ir rezonansinės struktūros.
Infraraudonoji optika ir fotonika
Didelis lūžio rodiklis ir infraraudonosios spinduliuotės pralaidumas leidžia kurti bangolaidžius, moduliatorius, detektorius, lęšius ir integrinius optinius grandynus.
Metalurginiai lydiniai
Silicis gerina liejamąsias savybes, deoksiduoja plieną, keičia aliuminio lydinių savybes ir įeina į karščiui atsparių silicidų sudėtį.
Silikoninės medžiagos
Pramoninės silicio chemijos galutiniai produktai apima sandariklius, elastomerus, tepalus, kapsuliavimo medžiagas, medicininiam naudojimui tinkamas medžiagas ir karščiui atsparius polimerus.
Tikslioji metrologija
Ypač gryni, kontroliuojamos izotopinės sudėties silicio kristalai ir rutuliai naudojami matmenų matavimams ir fundamentaliųjų konstantų tyrimams.
Kvantiniai įtaisai
Izotopiškai išgrynintas silicis gali sumažinti magnetinį triukšmą aplink sukiniu pagrįstas kvantines būsenas ir suteikti gerai išplėtotą gamybos platformą.
Atpažinimas ir dažniausiai painiojamos medžiagos
Masyvus elementinis silicis patikimiausiai atpažįstamas iš požymių derinio: metalinės išvaizdos medžiagai mažo tankio, trapaus kriaukliško lūžio, tamsiai pilkos spalvos, kieto paviršiaus, metalams būdingo kalumo nebuvimo ir pramoninės kilmės. Pagamintas plokšteles lengviau atpažinti pagal geometriją, įpjovą, poliravimą ir technologinius sluoksnius nei atliekant lauko bandymus.
Neardomojo tyrimo seka
Prieš bandydami vieną blizgų paviršių, apžiūrėkite visą objektą. Pramoninės medžiagos pakuotė, etiketės, technologinio apdorojimo žymės, orientavimo įpjovos ir susijusi įranga gali suteikti daugiau informacijos nei pats lūžis.
- Nustatykite objekto tipąAtskirkite lydykloje gautą silicį, polisilicį, monokristalą, plokštelę, lustą, dengtą padėklą, lydinį ar imitaciją.
- Kokybiškai įvertinkite tankįSilicis atrodo netikėtai lengvas, palyginti su panašaus dydžio galenitu, hematitu, plienu ar silicio karbidu.
- Apžiūrėkite lūžio geometrijąIeškokite kriauklę primenančių išlinkimų, aštrių briaunų, šviesą atspindinčių plokštumų ir grūdelių ribų įvairovės.
- Ištirkite paviršiaus sluoksnių sistemąNustatykite, ar spalvą suteikia oksidas, nitridas, metalas, rezistas, teršalai ar dekoratyvinė danga.
- Ieškokite grūdėtosios struktūrosPolikristalinėje medžiagoje gali būti matomos kristalų sienelės, grūdeliai, segregavusios priemaišos ir netaisyklingos lūžio trajektorijos.
- Patikrinkite magnetines savybesGrynas silicis nėra feromagnetinis; stipri reakcija leidžia įtarti ferosilicį, prikibusį metalą ar užterštumą.
- Venkite plokštelių braižymo bandymųKietumo bandymai pažeidžia poliruotus paviršius ir gali sukelti nuo krašto prasidedančius įtrūkius.
- Prireikus taikykite analizės metodusRamano spektroskopija, rentgeno spindulių difrakcija, savitosios elektrinės varžos, infraraudonosios spinduliuotės pralaidumo matavimai ir sudėties analizės metodai gali patvirtinti medžiagos tapatybę ir technologinę būseną.
| Medžiaga | Kodėl gali būti panaši į silicį | Naudingi skiriamieji požymiai |
|---|---|---|
| Kvarcas arba kvarcinis stiklas | Panašus kietumas, kriaukliškas lūžis ir daug silicio turinti cheminė sudėtis. | Kvarcas ir kvarcinis stiklas yra SiO₂, paprastai skaidrūs arba pusiau skaidrūs ir nemetaliniai; elementinis silicis yra tamsus ir nepralaidus regimajai šviesai. |
| Silicio karbidas | Tamsi kovalentinė medžiaga, kurios paviršiai turi metalinį blizgesį arba vaivorykštinį žvilgesį. | SiC yra gerokai kietesnis ir tankesnis; jam dažnai būdingas ryškesnis dirbtinis vaivorykštinis žvilgesys arba plokšteliniai kristalai. |
| Galenitas | Švino pilkumo metalinė išvaizda ir trapumas. | Galenitas yra daug sunkesnis, minkštesnis ir pasižymi tobulu kubiniu skalumu. |
| Hematitas | Plieno pilkumo paviršiai, pasižymintys metaliniu arba pusiau metaliniu blizgesiu. | Hematitas yra tankesnis ir palieka raudonai rudą bruožą. |
| Grafitas | Tamsiai pilka spalva, pusiau metalinis blizgesys ir elektrinis laidumas. | Grafitas yra labai minkštas, riebus liesti, palieka tamsią žymę ir skyla į lanksčius žvynelius. |
| Ferosilicis | Pramoniniai tamsūs metalinio blizgesio luitai, kuriuose gausu silicio. | Didesnis tankis, galimos magnetinės savybės, metalinio lydinio fazės ir cheminė sudėtis, kurioje yra daug geležies. |
| Metalinis stiklas arba šlakas | Tamsus, šviesą atspindintis lūžio paviršius ir netaisyklinga pramoninio gaminio forma. | Burbuliukai, tekėjimo tekstūra, kintamas tankis, mišri sudėtis ir kristaliniam siliciui būdingų požymių nebuvimas. |
| Dengta stiklo plokštelė | Plokščias apskritas padėklas su spalvingomis plonosiomis plėvelėmis. | Šviesos pralaidumas ties kraštu, mažesnis tankis, lūžimo pobūdis ir optiniai tyrimai padeda atskirti stiklą nuo silicio. |
Išskyrimas, puslaidininkių mokslas ir silicio technologinės platformos iškilimas
Silicio istorija driekiasi nuo mineralų analizės iki cheminio išskyrimo, nuo trapios laboratorinės medžiagos iki itin gryno kristalo ir nuo pavienių lygintuvų iki integruotųjų sistemų. Lemiamas lūžis buvo ne vien elemento atradimas, bet ir gebėjimas valdyti jo grynumą, paviršių, kristalo defektus ir tarpfazines ribas.
Silicio dioksidas atpažįstamas kaip nežinomo elemento oksidas
Chemikai suprato, kad kvarce ir giminingose medžiagose yra komponentas, atsparus įprastiems redukcijos būdams, tačiau jį išskirti tebebuvo sunku, nes silicis sudaro stiprius ryšius su deguonimi.
Gaunamas negrynas silicis ir susiformuoja angliškas jo pavadinimas
Per ankstyvuosius redukcijos bandymus buvo gauta silicio turinti medžiaga, o angliškas pavadinimas „silicon“ pakeitė formas, tiesiogiau sudarytas pagal metalinių elementų pavadinimų pavyzdį.
Jönsas Jacobas Berzelius išskiria amorfinį silicį
Berzelius gavo ir aprašė gerokai grynesnę elementinę medžiagą, padėdamas pagrindą silicio cheminei tapatybei nustatyti.
Gaunamas kristalinis silicis
Henri Sainte-Claire Deville’is gavo kristalinį silicį, todėl tapo lengviau tirti jo blizgesį, trapumą ir struktūrą.
Silicis tampa elektroninių detektorių medžiaga
Taškinio kontakto įtaisai ir kristaliniai detektoriai parodė lyginimo reiškinį dar prieš tai, kai didelio grynumo kristalų auginimas sudarė sąlygas šiuolaikinei puslaidininkių inžinerijai.
Didelio grynumo silicis atveria kelią tranzistoriams ir praktiškai pritaikomiems saulės elementams
Gryninimas, legiruojančių priemaišų kontrolė, sandūrų formavimas ir kristalų auginimas įtvirtino silicį kaip vis praktiškesnę germanio alternatyvą.
Paviršiaus pasyvinimas, planarioji technologija ir MOS įtaisai pertvarko gamybą
Valdoma silicio ir oksido tarpfazinė riba leido apsaugoti paviršius, fotolitografiškai formuoti įtaisų kontūrus ir kurti didelio elementų tankio integrinius grandynus.
Silicio taikymas plečiasi į fotovoltiką, MEMS, fotoniką, metrologiją ir kvantinius tyrimus
Ta pati gamybos platforma dabar naudojama energijos keitimui, mechaniniams jutikliams, optiniams grandynams, kontroliuojamos izotopinės sudėties kristalams ir nanometrinių matmenų įtaisams.
Silicis tapo pamatine medžiaga ne todėl, kad natūralios būsenos jis būtų ypač laidus. Tokį vaidmenį jis įgijo todėl, kad jo laidumą, paviršių, geometriją ir tarpfazines ribas galima valdyti nepaprastai tiksliai.
Vertinimas, kilmė ir santykinė reikšmė
Universalios kolekcinio silicio vertinimo sistemos nėra. Neapdorotam lydyklos luitui, polisilicio strypui, moksliniams tyrimams skirtam monokristalui, gamybinei plokštelei, lustui su suformuotu grandyno raštu, ankstyvajam saulės elementui, istoriniam integriniam grandynui ir retam gamtiniam grūdeliui taikomi skirtingi vertinimo prioritetai.
Medžiagos tapatybė
Patvirtinkite, ar objektas yra elementinis silicis, lydinys, silicio karbidas, dengtas stiklas, technologiškai apdorotas puslaidininkis ar kita pramoninė medžiaga.
Kristalinė forma
Užfiksuokite, ar mėginys yra monokristalinis, polikristalinis, dendritinis, amorfinės plėvelės pavidalo, porėtas, suskilęs, pjautas, poliruotas ar nusodintas.
Paviršiaus vientisumas
Patikrinkite kraštų nuskilimus, skilimą pagal skalumo plokštumas, įbrėžimus, drumstumą, pirštų atspaudus, oksido spalvą, sluoksnių atsiskyrimą, koroziją ir metalizacijos sluoksnio pažeidimus.
Technologinė kilmė
Gamintojas, auginimo metodas, gamybos vieta, plokštelės kristalografinė orientacija, legiruojanti priemaiša, savitoji elektrinė varža, skersmuo, data ir numatyta paskirtis gali būti reikšmingesni už nepriekaištingą išvaizdą.
Istorinis kontekstas
Mokslinių tyrimų etiketės, gamybos technologijos karta, institucija, įtaiso tipas, korpusas ir dokumentacija gali padėti nustatyti technologinę svarbą.
Gamtinė kilmė
Teiginiams apie grynuolį silicį pagrįsti reikia radavietės, talpinančiosios medžiagos, analitinių įrodymų ir išsaugotos pirminės matricos.
| Objekto tipas | Svarbiausios savybės | Ką patikrinti |
|---|---|---|
| Metalurginio silicio gabalas | Būdingas lūžis, pramoninis kilmės šaltinis, priemaišų tekstūra, dydis ir stabilus paviršius. | Ar nepakeistas ferosiliciu, ar nėra šlako, dangos, oksidacijos, aštrių briaunų ir ar kilmės šaltinis dokumentuotas. |
| Polikristalinio silicio strypas arba granulė | Nusodinimo morfologija, grynumo dokumentai, gamybos metodas ir nepažeista struktūra. | Tarša, tvarkymo pėdsakai, lūžęs siūlas, danga ir klaidinantys teiginiai apie gamtinį kristalą. |
| Monokristalinė plokštelė | Skersmuo, orientacija, įpjova, storis, poliravimas, legiravimo priemaiša, savitoji varža ir auginimo metodas. | Kraštų ištrupos, mikroįtrūkiai, išlinkimas, įbrėžimai, tarša, danga ir nežinoma apdorojimo istorija. |
| Plokštelė su suformuotu raštu | Įtaiso arba bandymo raštas, gamybos kontekstas, data, lustų išdėstymas, dokumentai ir paviršiaus išlikimo būklė. | Korodavęs metalas, atsisluoksniavusios plėvelės, fotorezisto likučiai, nulūžęs kraštas ir neišsamūs kilmės duomenys. |
| Istorinis lustas arba grandynas | Atpažįstama funkcija, gamintojas, data, korpusas, institucija ir technologinis kontekstas. | Pakeistas korpusas, pašalintos etiketės, suklastotas ženklinimas, nutrūkusios jungtys ir trūkstami dokumentai. |
| Grynuolio silicio pavyzdys | Gamtinė matrica, tiksli radavietė, analitinis patvirtinimas, mastelis ir publikacijų istorija. | Pramoninė tarša, lydyklos medžiaga, smūgio nuolaužos, dirbtinis įterpimas ir nepagrįstas kilmės priskyrimas. |
Priežiūra, laikymas, eksponavimas ir sauga dirbtuvėse
Masyvus elementinis silicis įprastomis patalpų sąlygomis yra chemiškai stabilus, tačiau jo briaunos trapios, o apdorotuose paviršiuose gali būti jautrių oksidų, nitridų, metalų, polimerų ar įtaisų struktūrų. Priežiūrą reikėtų parinkti atsižvelgiant į visą objektą, o ne vien į silicio pagrindą.
Masyvūs gabalai
Netaisyklingos formos gabalus laikykite paminkštintuose laikikliuose, saugokite nuo kritimo, o aštrias lūžio briaunas laikykite atokiau nuo gretimų pavyzdžių ir rankų.
Nedengtos plokštelės
Imkite už krašto švariomis pirštinėmis arba tinkamais plokštelių tvarkymo įrankiais. Venkite lankstymo, kraštų spaudimo, krovimo be skirtukų ir sąlyčio su abrazyvinėmis dalelėmis.
Dengtos plokštelės
Nemanykite, kad spalvingas paviršius atsparus vandeniui, alkoholiui, tirpikliui, plovikliui ar šluostymui. Matoma plėvelė gali būti minkštesnė ir mažiau stabili nei silicis.
Apdoroti įtaisai
Metaliniai takeliai, kontaktinės aikštelės, polimerai ir korpusuoti grandynai gali koroduoti arba atsisluoksniuoti. Aktyviesiems elektroniniams įtaisams taip pat gali reikėti apsaugos nuo elektrostatinės iškrovos.
Dulkių kontrolė
Silicio nešlifuokite sausuoju būdu, nešveiskite švitriniu popieriumi, negręžkite ir netraiškykite nesiėmę atsargumo priemonių. Taikykite tinkamus šlapiuosius metodus arba vietinį nusiurbimą ir naudokite tinkamas akių bei kvėpavimo takų apsaugos priemones.
Nežinomos kilmės pramoninės atliekos
Ant apdorotos medžiagos gali būti metalinių plėvelių, legiravimo priemaišų, likučių, lydmetalio, fotorezisto ar taršos, kurios nematyti žiūrint į priekinį paviršių.
| Pavojus | Galimas poveikis | Prevencijos būdas |
|---|---|---|
| Smūgis į kraštą | Ištrupėjimas, radialiniai įtrūkiai, skilimo plitimas ir aštrios nuolaužos. | Naudokite paminkštintas atramas, kraštų neliečiančius laikiklius ir laikykite atskirai. |
| Plokštelės lenkimas | Staigus visiškas lūžis dėl nedidelio sulenkimo arba jau esančio krašto defekto. | Kelkite tolygiai prilaikydami ir niekada jėga nebrukite plokštelės į ankštą laikiklį. |
| Abrazyvinės dulkės | Negrįžtami įbrėžimai, drumstumas, poliruoto paviršiaus blizgesio praradimas ir plonųjų plėvelių pažeidimai. | Prieš šluostydami pašalinkite birias daleles švaria oro pūtimo kriauše arba kontroliuojamu bekontakčiu būdu. |
| Buitinis tirpiklis arba valiklis | Rezisto brinkimas, dangos praradimas, metalo korozija, likučiai ir pakitusi interferencinė spalva. | Apdorotiems paviršiams netaikykite savavališkai parinktų cheminio valymo būdų. |
| Temperatūros gradientas | Trūkinėjimas dėl įtempių, plėvelių atsisluoksniavimas ir metalizacijos pažeidimai. | Venkite liepsnos, garų, kaitlenčių, intensyvių lempų ir staigių temperatūros pokyčių. |
| Elektrostatinė iškrova | Veikiančių arba istoriškai reikšmingų aktyviųjų grandynų pažeidimas. | Jei įtaisas tebėra elektriškai aktyvus arba neapsaugotas, dirbdami su juo naudokite antistatines priemones. |
| Sausasis pjovimas arba šlifavimas | Ore pasklindančios aštrios dalelės ir galimai degūs smulkūs milteliai. | Taikykite profesionaliam darbui tinkamas dulkių kontrolės priemones ir venkite apdoroti nežinomomis dangomis padengtas atliekas. |
| Nestabilus tvirtinimas | Plokštelės slydimas, kraštų spaudimas, lūžimas ir dilimas trinantis į kietus spaustukus. | Naudokite plačias atramas iš inertinių medžiagų, nesukeliančias taškinės apkrovos. |
Dokumentavimas ir atsakingas aprašymas
Išsamiame silicio bandinio apraše atskirai nurodoma elementinė sudėtis, grynumo klasė, kristalinė sandara, pramoninė forma, technologinio proceso istorija, danga, įtaiso būsena, gamtinė kilmė ir būklė. Vien pavadinimas „silicio kristalas“ gali nuslėpti didžiąją dalį informacijos, suteikiančios bandiniui prasmę.
Medžiagos tapatybė
Nurodykite, ar tai elementinis silicis, ferosilicis, silicio karbidas, dengtas silicis, stiklinis pagrindas, polisilicis ar kita patvirtinta medžiaga.
Kristališkumas
Dokumentuokite monokristalinę, daugiakristalę, polikristalinę, amorfinę, porėtąją, dendritinę arba nežinomą sandarą.
Auginimo ir gryninimo metodas
Jei žinoma, nurodykite metalurginį lydymą, nusodinimą Siemenso metodu, granulių gamybą verdančiajame sluoksnyje, auginimą Čochralskio arba slankiosios zonos metodu, liejimą ar plėvelės nusodinimą.
Elektroninės charakteristikos
Išsaugokite duomenis apie kristalografinę orientaciją, legiruojančiąją priemaišą, laidumo tipą, savitąją varžą, skersmenį, storį, plokštumą, deguonies kiekio klasę ir paskirtį įtaisuose.
Paviršiaus sluoksnių sandara
Aprašykite, ar paviršius nedengtas, oksiduotas, nitriduotas, metalizuotas, padengtas fotorezistu, pasyvuotas, suformuoto rašto, ėsdintas, ar bandinys yra korpuse.
Kilmė ir būklė
Išsaugokite duomenis apie gamintoją, instituciją, projektą, datą, pakuotę, ankstesnį naudojimą, kraštų ištrupėjimus, įbrėžimus, užterštumą, taisymus ir nuotraukas.
Šiuolaikinė simbolika ir apmąstymų prasmė
Šiuolaikinės simbolinės silicio interpretacijos gali tiesiogiai remtis tikrosiomis jo medžiaginėmis savybėmis: keturguba ryšių sandara, kontroliuojamomis priemaišomis, atrankiuoju laidumu, sluoksnių sąsajomis, tiksliu raštų formavimu ir gausios mineralinės žaliavos virsmu tikslia kristaline platforma. Šios temos yra šiuolaikiniai apmąstymai, o ne teiginiai apie senovines silicio tradicijas.
Pirmiausia sandara, paskui sudėtingumas
Didžiulė elektroninė sistema prasideda nuo pasikartojančių vietinių ryšių: kiekvienas atomas numatomu būdu susijungęs su keturiais kaimynais.
Maži priedai, didelis poveikis
Labai mažos legiruojančiųjų priemaišų koncentracijos gali pakeisti laidumą keliomis dydžio eilėmis, primindamos, kad rūpestingai pasirinkti indėliai svarbesni už beatodairišką gausą.
Sąsajos sukuria funkciją
Riba tarp silicio ir izoliacinio sluoksnio ne vien atskiria: būtent čia tampa įmanomi valdomi kanalai ir įtaisai.
Gryninimas kaip atranka
Elektronikai reikiamas grynumas pasiekiamas kartojant atskyrimą ir matavimą, o ne vienu įspūdingu pašalinimo veiksmu.
Raštu apibrėžti apribojimai
Naudinga grandinė nepraleidžia srovės visur. Ji nukreipia judėjimą per tikslingai suformuotas sritis, barjerus ir sandūras.
Paviršius ir vidus
Plokštelės spalvą gali lemti vos kelių nanometrų storio plėvelė, primindama, kad išorinis vaizdas ir po juo slypinti sandara yra susiję, bet netapatūs.
Plokštelės ir Mėnulio apžvalga
- Pasirinkite vieną sistemą, kuri atrodo sudėtinga, nes kiekviena jos dalis laikoma vienodai laidžia.
- Nustatykite pagrindinę struktūrą, kuri turi išlikti stabili.
- Įvardykite vieną didintiną indėlį, vieną šalintiną priemaišą ir vieną stiprintiną ribą.
- Apibrėžkite, kur judėti turėtų būti lengva, o kur naudinga varža.
- Pasirinkite vieną išmatuojamą veiksmą, kuris pakeistų sistemą neperstatant jos visos.
- Po vieno viso ciklo įvertinkite rezultatą ir vienu metu keiskite tik vieną kintamąjį.
Toliau skaitykite specializuotus silicio vadovus
Silicį galima pažinti per elementinio silicio kristalografiją, puslaidininkių optiką, geologiją, pramoninį gryninimą, polikristalinę sandarą, technologijų istoriją, šiuolaikinę simboliką ir apmąstymų praktiką.
Dažniausiai užduodami klausimai
Ar silicis yra metalas?
Silicis paprastai priskiriamas pusmetaliams. Jo paviršius atrodo metališkas, tačiau tai kovalentiniais ryšiais susietas puslaidininkis, kurio laidumas nuo temperatūros ir legiruojančiųjų priemaišų priklauso gerokai labiau nei įprasto metalo.
Ar silicis ir silicio dioksidas yra tas pats?
Ne. Silicis yra cheminis elementas Si. Silicio dioksido formulė yra SiO₂; jam priskiriami kvarcas, kristobalitas, tridimitas, opalas, silicio dioksido stiklas ir aukšto slėgio formos.
Ar silicis ir silikonas yra tas pats?
Ne. Silikonai yra sintetinių polimerų šeima, kurių pagrindinę grandinę sudaro pakaitomis išsidėstę silicio ir deguonies atomai, o prie jos prijungtos organinės šoninės grupės. Silikoninė guma, alyva, derva ir sandariklis nėra elementinis silicis.
Kodėl grynuolis silicis toks retas?
Silicis sudaro tvirtus ryšius su deguonimi ir lengvai įsijungia į silicio dioksido bei silikatų struktūras. Natūraliam elementiniam siliciui susidaryti būtinos neįprastai redukuojančios sąlygos, o jo dariniai paprastai būna mikroskopiniai.
Kodėl silicio plokštelė atrodo mėlyna arba violetinė?
Spalva paprastai atsiranda dėl interferencijos plonoje oksido, nitrido, fotorezisto arba daugiasluoksnėje plėvelėje. Pats nedengtas poliruotas silicis yra nuo tamsiai pilko iki beveik juodo.
Kodėl silicis naudojamas kompiuterių lustams?
Silicis pasižymi tinkamu draustinės juostos pločiu, kokybišku natūraliai ir termiškai susidarančiu oksidu, puikiu paviršiaus pasyvavimu, pakankamu šilumos laidumu ir mechaniniu stipriu. Be to, jo žaliavos gausios, gryninimo technologijos brandžios, o gamybos metodai labai išplėtoti.
Kuo skiriasi p tipo ir n tipo silicis?
p tipo silicyje yra akceptorinių priemaišų, dėl kurių pagrindiniais krūvininkais tampa skylės. n tipo silicyje yra donorinių priemaišų, dėl kurių pagrindiniais krūvininkais tampa elektronai.
Kas yra skylė?
Skylė yra efektyvusis teigiamas krūvininkas, susijęs su elektrono trūkumu valentinės juostos būsenoje. Ji elgiasi taip, tarsi kristalu judėtų teigiamas krūvis.
Kas yra polisilicis?
Polisilicis yra didelio grynumo polikristalinis elementinis silicis. Jis paprastai nusodinamas strypų, gabalų ar granulių pavidalu, o vėliau išlydomas plokštelėms arba saulės elementams gaminti.
Kuo skiriasi polikristalinis ir monokristalinis silicis?
Monokristaliniame silicyje visame naudojamame tūryje išlaikoma viena kristalinė orientacija. Polikristalinį silicį sudaro daug grūdelių, atskirtų ribomis, kurios veikia lūžimą, priemaišų pasiskirstymą ir krūvininkų pernašą.
Kas yra amorfinis silicis?
Amorfiniam siliciui nebūdinga tolimoji kristalinė tvarka, ir jis paprastai nusodinamas plonos plėvelės pavidalu. Vandenilio dažnai pridedama tam, kad būtų pasyvuoti nesotieji ryšiai ir pagerintos elektroninės savybės.
Kas yra Czochralskio metodu užaugintas silicis?
Tai monokristalinis silicis, auginamas lėtai traukiant ir sukant kristalo užuomazgą iš silicio dioksido tiglyje laikomo išlydyto silicio. Šiuo metodu pagaminama dauguma įprastų didelių puslaidininkinių plokštelių.
Kas yra silicis, gautas betiglio zoninio lydymo būdu?
Betiglio zoninio lydymo būdu silicis gryninamas ir kristalizuojamas išilgai silicio strypo slenkant siaurai išlydytai zonai, nenaudojant tiglio. Taip galima pasiekti labai mažą deguonies kiekį ir didelę savitąją varžą.
Kodėl silicis nepraleidžia regimosios šviesos, bet tinka infraraudonųjų spindulių optikai?
Regimosios šviesos fotonai paprastai turi pakankamai energijos, kad būtų sugerti vykstant elektroniniams šuoliams silicyje. Mažesnės energijos infraraudonieji fotonai gali prasiskverbti pro pakankamai gryną medžiagą tam tikrame bangos ilgių diapazone, kuris priklauso nuo taikymo srities.
Ar silicis natūraliai laidus elektrai?
Kambario temperatūroje grynas silicis, palyginti su metalu, elektrą praleidžia silpnai. Šiluma, šviesa, defektai ir tikslingas legiravimas gali smarkiai padidinti jo laidumą.
Kodėl kaitinamo silicio laidumas didėja?
Šiluma sužadina daugiau elektronų, kad jie įveiktų draustinę juostą, ir taip susidaro papildomų elektrono bei skylės porų. Krūvininkų skaičiaus didėjimas gali nusverti judrio sumažėjimą, kurį sukelia gardelės virpesiai.
Ar elementinis silicis gali subraižyti stiklą?
Aštri silicio briauna gali subraižyti daugelį įprastų stiklų, nes jo kietumas pagal Moso skalę yra apie 6,5–7. Tikrinti pagamintos plokštelės ar dokumentuoto bandinio kietumą nebūtina, ir toks bandymas juos negrįžtamai sugadina.
Kodėl silicis taip lengvai lūžta, nors yra kietas?
Kietumas nusako atsparumą įbrėžimams, o ne lūžimui. Kryptinių kovalentinių ryšių silicio gardelė yra standi, bet trapi, o plonos plokštelės jautrios kraštų defektams ir lenkimui.
Ar silicį galima valyti vandeniu?
Nedengtas tūrinis silicis atlaiko trumpą sąlytį su vandeniu, tačiau apdorotose plokštelėse gali būti plėvelių, metalų, polimerų ar likučių, kurie jo neatlaiko. Neidentifikuotam apdorotam bandiniui saugesnis pradinis pasirinkimas yra sausas bekontaktis valymas.
Ar galiu poliruoti sulūžusią silicio plokštelę?
Poliruojant pašalinamas esamas paviršius ir gali būti sunaikinta oksido suteikiama spalva, įtaisų sluoksniai, kilmės požymiai bei briaunų geometrija. Taip pat susidaro smulkių dulkių, todėl to nereikėtų imtis lengvabūdiškai.
Ar silicio karbidas yra silicio atmaina?
Silicio karbido sudėtyje yra silicio, tačiau tai atskiras junginys, kurio formulė SiC. Jis yra kietesnis, tankesnis, atsparesnis karščiui, o jo elektroninės savybės skiriasi nuo elementinio silicio savybių.
Ką reiškia įpjova plokštelėje?
Įpjova suformuojama gamybos metu, kad būtų lengviau nustatyti plokštelės orientaciją ir ją tvarkyti. Ji padeda automatizuotai įrangai orientuoti plokštelę ir žymi atskaitos kristalografinę kryptį.
Ar pagal oksido spalvą galima nustatyti tikslų plėvelės storį?
Esant kontroliuojamam apšvietimui, spalva gali apytiksliai parodyti storį, tačiau norint jį nustatyti tiksliai, reikia kalibruoto optinio matavimo, nes spalva taip pat priklauso nuo kampo, pagrindo, lūžio rodiklio ir papildomų sluoksnių.
Kas turėtų būti nurodyta bandinio etiketėje?
Nurodykite cheminį elementą, grynumą arba kokybės klasę, monokristalinę ar polikristalinę formą, auginimo metodą, plokštelės orientaciją, legiravimo priemaišą ir savitąją elektrinę varžą, jei jos žinomos, dangą, gamintoją, datą, ankstesnį naudojimą ir būklę.
Baigiamieji apmąstymai
Silicio sandaros pagrindas – paprasta vietinė taisyklė: kiekvienas atomas sudaro keturis kryptinius ryšius. Šiai taisyklei kartojantis visame kristale, susidaro gardelė, pakankamai standi, kad būtų tiksliųjų prietaisų pagrindas, tačiau ir pakankamai trapi, kad įskiltų nuo pažeisto krašto. Tie patys ryšiai lemia netiesioginę draustinę juostą, vidutinį šilumos laidumą, didelį lūžio rodiklį infraraudonojoje spektro srityje ir paviršių, ant kurio galima suformuoti itin tiksliai kontroliuojamą oksido sluoksnį.
Geologinėje aplinkoje silicis retai aptinkamas laisvas. Jis jungiasi su deguonimi ir sudaro tetraedrus, o šie susijungia į atskiras grupes, žiedus, grandines, sluoksnius ir karkasus. Taip silicis tampa mantijos mineralų, vulkaninio stiklo, granito, molio, dirvožemio, smėlio, titnagdumblių kiautelių, betono, porceliano ir langų stiklo sudedamąja dalimi.
Pramoninis apdorojimas nukreipia šį natūralų polinkį oksiduotis priešinga linkme. Kvarcas redukuojamas, silicis gryninamas pasitelkiant lakiuosius junginius, nusodinamas polikristalinio silicio pavidalu, išauginamas kontroliuojamų savybių kristalas, supjaustomas į plokšteles, o kartojant medžiagos pridėjimo ir pašalinimo ciklus jose formuojami raštai. Itin maži legiravimo priemaišų kiekiai pakeičia elektrines savybes; nanometrinio storio plėvelės keičia spalvą ir tarpfazinius paviršius; mikroskopiniai defektai lemia, ar prietaisas veiks, ar suges.
Todėl visapusiškas silicio pažinimas sujungia mineralogiją, kristalografiją, termodinamiką, kietojo kūno fiziką, optiką, metalurgiją, chemiją, gamybą, elektroniką, energetiką, išsaugojimą ir technologijų istoriją. Jo išskirtinumas nėra nei natūralus elektrinis laidumas, nei įspūdinga išvaizda. Jis išskirtinis tuo, kad gausiai paplitusį uolienas sudarantį elementą galima gryninti, formuoti jo struktūrą ir raštus tol, kol pati medžiaga tampa programuojama.