Polikristalni silicij
Linas JuozėnasPodijeliti
Polikristalni silicij
Polikristalni silicij je kristalni materijal od silicija sastavljen od mnogih zasebnih kristala silicija, zvanih zrna. U svakom zrnu atomi su raspoređeni u uređenoj kubičnoj rešetki tipa dijamanta, ali su rešetke susjednih zrna zarotirane pod različitim uglovima. Tamo gdje se susreću nastaju granice zrna. Upravo ova polikristalna struktura razlikuje polikristalni silicij od monokristalnog i daje mu karakterističnu mozaičnu površinu. Ovaj materijal postao je jedna od najvažnijih karika koje povezuju sirovinu kvarc, solarne ćelije, mikroelektroniku i kristale silicija izuzetne čistoće.
Hemijski je to isti silicij, ali umjesto jedne neprekinute kristalne orijentacije, sadrži hiljade ili milione manjih kristalnih područja
Čisti kristalni silicij čine atomi silicija povezani u izuzetno uređenu trodimenzionalnu mrežu. Unutar jednog kristalnog zrna ta uređenost zadržava istu orijentaciju.
Polikristalni materijal sadrži mnogo takvih zrna. Jedno može biti zarotirano za nekoliko stepeni, a drugo orijentisano u potpuno drugom smjeru. Unutar zrna rešetka ostaje uređena, ali kako se približava njegovoj ivici, nizovi atoma više se ne mogu nastaviti potpuno pravilno.
Mjesto njihovog susreta naziva se granica zrna. Lokalno okruženje nekih atoma tu se neznatno razlikuje, pa se u tim područjima mogu nakupljati defekti kristalne strukture, primjese i elektronska stanja.
Na prvi pogled ova razlika može djelovati mala, ali u elektronici je veoma važna: u gotovo savršenoj kristalnoj rešetki elektroni i šupljine kreću se drugačije nego u materijalu kroz koji prolazi mnoštvo granica zrna.
Suština polikristalnog silicija: svako pojedinačno zrno je kristal, ali cijeli materijal nije jedan kristal. To je zajednica mnogih kristala.
Kristalno zrno
Mala oblast silicija u kojoj atomi zadržavaju jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Granica zrna
Oblast u kojoj se susreću dvije različito zakrenute kristalne rešetke.
Polikristalna cjelina
Mnoga zrna mehanički srastaju i tvore jedan neprekinuti komad silicija.
Siv, sjajan, krt poluprovodnik čija električna svojstva uveliko ovise o čistoći, primjesama i veličini kristalnih zrna
| Hemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluprovodnik |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura unutar zrna | Kubna struktura dijamantskog tipa |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 po Mohsovoj skali |
| Gustoća | Oko 2,33 g/cm³ |
| Tačka topljenja | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiv, srebrnosiv, plavičastosiv ili gotovo crn |
| Sjaj | Od metalnog do polumetalnog |
| Mehanička svojstva | Čvrst, ali krt |
| Elektronski tip | Poluprovodnik |
| Širina zabranjene zone | Oko 1,12 eV na sobnoj temperaturi |
| Električna provodnost | Uveliko zavisi od temperature, čistoće i kontroliranog dopiranja |
| Glavna strukturna razlika | Mnoga zrna različite orijentacije, odvojena granicama zrna |
Svaki atom silicija veže se s četiri susjedna atoma i tvori tetraedarsku mrežu sličnu strukturi dijamanta
Ponavljajući poredak u tri dimenzije
U kristalnom siliciju svaki atom ima četiri najbliža susjedna atoma silicija. Kovalentne veze tvore trodimenzionalnu tetraedarsku mrežu koja određuje i geometriju kristala i njegova poluprovodnička svojstva.
Četiri veze
Svaki atom silicija ima četiri valentna elektrona i u kristalu stvara četiri jake kovalentne veze.
Tetraedarska geometrija
Susjedni atomi raspoređeni su u smjerovima tetraedra, pa rešetka nije jednostavna kubna mreža.
Struktura dijamanta
Tip silicijske rešetke u osnovi je isti kao kod dijamanta, iako su atomi silicija veći, a veze slabije nego u kristalu ugljika.
Elektronska stanja
Periodičnim rasporedom atoma nastaju valentna i provodna energetska zona.
Zabranjena zona poluprovodnika
Između valentne i provodne zone ostaje zabranjena energetska zona, pa silicij nije ni dobro provodan metal ni uobičajeni izolator.
Utjecaj temperature
Toplota može dati elektronima dovoljno energije da pređu u provodnu zonu i povećaju električnu provodnost.
U polikristalnom siliciju u svakom zrnu ponavlja se ista kubna rešetka dijamantskog tipa. Ne razlikuje se lokalni raspored atoma, već orijentacija cijelog zrna u prostoru.
Površinu polikristalnog silicija nalik mozaiku čine odvojene kristalne oblasti koje zbog različite orijentacije nejednako odbijaju svjetlost
Jedna površina, mnogo kristalografskih uglova
Atomi na površini svakog zrna imaju pomalo različitu orijentaciju u odnosu na smjer upadne svjetlosti, hemijskog jetkanja i mehaničke obrade. Zbog toga susjedna područja mogu izgledati svjetlije, tamnije ili plavičastije.
Unutar zrna
Ovdje je raspored atoma prilično pravilan i veoma podsjeća na strukturu monokristala.
Granica
Na mjestu gdje se susreću područja različitih orijentacija, ne mogu se sve atomske veze nastaviti u potpuno periodičnom nizu.
Kristalni defekti
Na granicama mogu biti izobličene veze, dislokacije i drugi defekti rešetke.
Nakupljanje nečistoća
Za neke strane atome energetski je povoljnije da se nakupljaju na granicama zrna nego unutar savršene rešetke.
Rekombinacija nosilaca naboja
Na granicama se elektroni i šupljine mogu lakše rekombinirati, čime se skraćuje njihov korisni životni vijek.
Veličina zrna
Što su zrna veća, to je manje granica u istoj zapremini materijala.
Granice zrna nisu samo vidljive linije. To su stvarni spojevi kristalnih područja koji mogu mijenjati prijenos naboja, mehanički odziv i raspodjelu nečistoća.
Da bi se iz silicijevog dioksida dobio materijal čistoće pogodne za elektroniku, nije dovoljno samo istopiti silicij, već treba ukloniti gotovo sve nepoželjne nečistoće
Sirovina od silicijevog dioksida
Industrijski proizvodni proces obično počinje kvarcom ili drugim materijalom s veoma visokim sadržajem silicijevog dioksida.
Redukcija ugljikom
Na visokoj temperaturi uklanja se kisik i dobija elementarni silicij metalurške čistoće.
Silicij se pretvara u isparljive spojeve
Da bi se silicij mogao izuzetno precizno pročistiti, hemijski se pretvara u spojeve koji se mogu destilirati.
Spojevi se pročišćavaju
Destilacijom se odvajaju supstance čija se tačka ključanja i hemijska svojstva razlikuju od željenog spoja silicija.
Taloži se čisti silicij
Na visokoj temperaturi, plinoviti spoj koji sadrži silicij se razlaže, a elementarni silicij taloži se na zagrijanoj podlozi.
Dobija se polisilicij
Dobija se veoma čist polikristalni materijal od silicija, koji se kasnije može istopiti i upotrijebiti za uzgoj drugih kristalnih oblika.
U industriji izraz polisilicij često označava veoma čist polikristalni silicij – sirovinu iz koje se kasnije mogu uzgajati monokristali ili lijevati polikristalni ingoti.
Dok se rastopljeni silicij hladi, na mnogim mjestima istovremeno nastaju kristalne klice koje rastu dok se ne dodirnu
Silicij se topi
Kada se prekorači temperatura topljenja, nestaje daleki kristalni red, a atomi se kreću u tečnoj talini.
Temperatura počinje opadati
Kako se talina hladi, stvaraju se uslovi da se atomi ponovo povežu u kubičnu kristalnu rešetku tipa dijamanta.
Nastaje mnogo klica
Na različitim mjestima u talini počinju rasti pojedinačni kristali silicija.
Kristali rastu
Svaka klica raste u vlastitoj kristalografskoj orijentaciji, vezujući sve više atoma silicija.
Zrna se dodiruju
Frontovi rastućih kristala susreću se i više ne mogu nastaviti svoje rešetke bez strukturnog kompromisa.
Nastaju granice zrna
Sav materijal očvrsne u jedan kompaktan blok, ali u njegovoj unutrašnjosti ostaju mnoge različite kristalografske orijentacije.
Kad bi se čitava talina kristalizovala iz jednog pravilno orijentisanog kristalnog sjemena, bez stvaranja dodatnih nukleusa, mogao bi se dobiti monokristal. Polikristal nastaje kada istovremeno raste mnogo centara kristalizacije.
Polikristalni silicij pomogao je da se fotonaponska tehnologija pretvori u sistem za proizvodnju energije velikih razmjera
Od svjetlosti do električnog kola
Foton sunčeve svjetlosti može prenijeti energiju elektronu u siliciju i pobuditi ga u provodnu zonu. Pravilno oblikovano područje električnog polja odvaja elektron od preostale šupljine i usmjerava naboj u vanjsko kolo.
Apsorpcija fotona
Svjetlost dovoljne energije može stvoriti pokretni elektron i pozitivnog nosioca naboja - šupljinu.
Silicij p-tipa i n-tipa
Unošenjem kontrolisanih količina različitih dopanata mogu se stvoriti oblasti s različitim koncentracijama nosilaca naboja.
p–n spoj
Električno polje nastalo na spoju dviju oblasti pomaže u razdvajanju nosilaca naboja koje stvara svjetlost.
Gubici na granicama zrna
Dio elektrona i šupljina može se rekombinovati na granicama zrna prije nego što stignu do elektroda.
Velika zrna
Veća kristalna zrna smanjuju broj granica i obično pomažu u očuvanju boljih elektronskih svojstava.
Plava površina
Plavu boju karakterističnu za mnoge klasične polikristalne solarne ćelije pojačavaju površinski premazi koji smanjuju refleksiju.
Polikristalna solarna ćelija nije „manje kristalna“ od monokristalne. Sastoji se od mnogo pravih kristala - samo su im orijentacije različite, a između njih ima više granica.
Tanki slojevi polikristalnog silicija omogućavaju izradu tranzistora tamo gdje nije potreban monokristalni materijal u masivnom obliku
Tankoslojni tranzistori
Polikristalni silicij može se koristiti u tankoslojnim tranzistorima za ekrane i druge elektronske strukture.
Gejtovi integrisanih kola
Ranije se jako dopirani polisilicij široko koristio kao materijal za elektrode gejta MOS tranzistora.
Otpornici
Kontrolisanjem kombinacije strukture zrna, dopiranja i geometrije sloja mogu se oblikovati električni otpornici.
Mikromehanički sistemi
Slojevi polikristalnog silicija mogu postati mikroskopske grede, membrane i pokretne strukture.
Senzori
Zbog svojih mehaničkih i električnih svojstava polikristalni silicij može se koristiti u mikrosenzorima pritiska, kretanja i drugih parametara.
Kontrolisano dopiranje
Količina bora, fosfora ili drugih odgovarajućih dopanata može promijeniti koncentraciju slobodnih nosilaca naboja za više redova veličine.
U elektronici izraz polisilicis često označava ne veliki, sjajni komad silicija, već veoma tanak sloj polikristalnog silicija ugrađen u složenu strukturu mikročipa.
U oba materijala atomi se povezuju na isti način, ali se u jednom kristalna rešetka proteže gotovo ne mijenjajući smjer, dok je u drugom podijeljena na mnoga kristalna područja
Monokristal
Kristalografska orijentacija gotovo cijelog ingota je ista.
Polikristal
Ingot se sastoji od mnogih područja različite kristalografske orijentacije.
Granice zrna
U monokristalu ih gotovo nema, dok u polikristalu čine široku unutrašnju mrežu.
Prijenos elektrona
Savršeniji red monokristala obično omogućava nosiocima naboja da se kreću nailazeći na manje strukturnih prepreka.
Način rasta
Za proizvodnju monokristala potrebno je kontrolisati rast jednog kristala, dok se polikristalni materijal može stvrdnuti iz mnogih kristalizacijskih jezgara.
Izgled
Na površini polikristalnog materijala često se može vidjeti mozaični uzorak koji stvaraju pojedinačna zrna.
Monokristalni i polikristalni silicij nisu dvije različite hemijske supstance. Oba mogu biti sastavljena od gotovo čistog elementarnog silicija - razlikuju se po razmjeru kristalnog reda.
Element čiji spojevi čine veliki dio stijenskog svijeta postao je i jedan od najvažnijih temelja digitalne civilizacije
U prirodi se silicij gotovo nikada ne nalazi u obliku velikih kristala čistog elementa jer se vrlo lako spaja s kisikom. U kvarcu, feldšpatima i bezbrojnim silikatnim mineralima nalazi se u oksidiranom stanju.
Industrijska priča silicija počela je kada je naučeno kako ga odvojiti od kisika i drugih elemenata, a kasnije su razvijane sve naprednije metode njegovog pročišćavanja.
Elektronska revolucija zahtijevala je ne bilo kakav silicij, već izuzetno čist silicij s kontrolisanom kristalnom strukturom. Čak i vrlo male količine nepoželjnih elemenata mogu znatno promijeniti električna svojstva poluprovodnika.
Proizvodnja polikristalnog silicija postala je karika koja povezuje hemiju sirovina i inženjerstvo kristala. Od taline pročišćenog polikristalnog silicija mogu se oblikovati ingoti za solarne ćelije, ili se on može koristiti za uzgoj velikih monokristala namijenjenih mikroelektronici.
Tako je jedan od najzastupljenijih elemenata Zemljine kore postao materijal čija je zastupljenost manje važna od izuzetno precizne kontrole strukture i čistoće.
Silicij je stekao tehnološku vrijednost kada su ljudi naučili ne samo da ga izdvajaju već i da kontrolišu gotovo svaki aspekt njegovog kristala - od nečistoća do orijentacije atoma.
Grad mnogih kristala
U rastopljenom siliciju gotovo istovremeno se rodilo nekoliko malih kristala.
Svaki je počeo rasti u svom smjeru.
„Ako svi ne budemo jednako orijentisani, nikada nećemo postati jedno tijelo“, rekao je prvi kristal.
Međutim, temperatura je i dalje padala, a kristali su postajali sve veći.
Naposljetku su se njihovi rubovi spojili.
Njihove kristalne rešetke nisu se savršeno poklapale. Između njih se pojavila granica.
„Vidiš?“, reče prvi. „Još uvijek smo različiti.“
„Da“, odgovorio je drugi. „Ali sada naša granica nije praznina. Postala je mjesto na kojem smo se spojili.“
Kada se cijela talina stvrdnula, nije postojao jedan savršeni kristal. Bilo ih je milioni – i zajedno su postali jedan funkcionalan materijal.
Ovo nije drevna legenda. Ovo je kreativna priča nadahnuta stvarnim rastom zrna u polikristalnom siliciju.
Jedinstvo mnogih pravaca, sposobnost da se sačuva vlastita struktura i istovremeno stvori veći sistem koji funkcioniše zahvaljujući svim svojim dijelovima
U savremenom simboličkom jeziku polikristalni silicij može se povezati sa saradnjom, izgradnjom složenih sistema, integrisanjem različitih sposobnosti i razumijevanjem da jedinstvo ne podrazumijeva istovjetnost. Ovo je kreativna interpretacija, a ne naučno dokazan uticaj na ljude.
Zasebno zrno
Svaki dio ljudskog života može imati svoj pravac, a ipak biti dio veće cjeline.
Granica zrna
Razlika između dvoje ljudi ili ideja može postati ne samo izvor sukoba već i samo mjesto njihovog povezivanja.
Kristalizacija
Red može nastajati istovremeno na mnogim mjestima, a zatim se povezati u jedan sistem.
Poluprovodnik
Sposobnost kontrole toga kada energija teče, a kada se njen tok zaustavlja, može simbolizirati svjesno postavljene granice i usmjereno djelovanje.
Solarna ćelija
Energija dobijena izvana ne može se samo apsorbovati već i pretvoriti u koristan rad.
Mozaična cjelina
Složen sistem ne mora skrivati svoje različite dijelove – ponekad upravo oni stvaraju njegovu najzanimljiviju strukturu.
Ritual zajedničke strukture
Ova suha simbolička praksa namijenjena je situaciji u kojoj imate nekoliko različitih zadataka, sposobnosti ili ljudi i želite razumjeti kako ih povezati u jedan funkcionalan sistem, a da pritom ne prisiljavate sve dijelove da postanu isti.
Šta će vam trebati
- jednog uzorka polikristalnog silicija;
- lista papira;
- olovke;
- jednog sistema ili projekta koji biste željeli djelotvornije organizovati.
Zrna
Na papiru nacrtajte nekoliko zasebnih područja i u svako upišite po jedan dio projekta, osobu, sposobnost ili odgovornost.
Pravci
Pored svakog dijela označite šta najbolje radi i koji njegov pravac ne treba nasilno mijenjati.
Granice
Između susjednih područja zapišite koje informacije, resursi ili odluke treba da prelaze iz jednog u drugo.
Mjesta defekata
Označite jedno sučelje na kojem se trenutno gubi najviše vremena, energije ili jasnoće.
Čvršća veza
Odaberite jednu malu promjenu koja bi poboljšala saradnju na ovoj konkretnoj granici: jasnije pravilo, bolji protok informacija ili jednostavniji proces.
Ponavljane riječi
Postavite polikristalni silicij u središte dijagrama i tri puta izgovorite:
Čuvam svaki pravac i jačam svaku vezu,
od mnogih zasebnih dijelova stvaram djelotvornu cjelinu koja ih nadilazi.
Završetak
Izgovorite: „Za jedinstvo nije potrebna istovjetnost. Svaki dio može zadržati svoj pravac, a ja jačam mjesta na kojima se oni susreću.“
Najčešće postavljana pitanja o polikristalnom siliciju
Šta je polikristalni silicij?
Koja je njegova hemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicij razlikuje od monokristalnog silicija?
Šta je granica zrna?
Je li svako zrno polikristalnog silicija pravi kristal?
Kolika je tvrdoća silicija?
Kolika je njegova gustoća?
Zašto polikristalni silicij izgleda poput mozaika?
Šta je polisilicij?
Koristi li se polikristalni silicij u solarnim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne u solarnim ćelijama?
Koristi li se polisilicij u mikroelektronici?
Šta polikristalni silicij simbolizira u savremenoj mašti?
Polikristalni silicij pokazuje da se funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, već pažljivim organiziranjem mjesta na kojima se susreću različiti pravci
Njegova priča počinje istim atomom silicija, koji se u prirodi najčešće krije u kvarcu i silikatnim mineralima.
Pročišćeni i rastopljeni silicij počinje kristalizirati dok se hladi, na mnogim mjestima istovremeno.
Svaki kristal raste u svom pravcu, a kada se susretnu, formiraju granice zrna i zajedno postaju jedno čvrsto polikristalno tijelo.
U svijetu tehnologije ovaj materijal povezuje hemiju, fiziku kristala, solarnu energetiku i mikroelektroniku. Simbolički, može nas podsjetiti da složenoj cjelini nije nužno potreban jedan pravac – ponekad se njena snaga otkriva upravo zato što mnoštvo različitih kristala nauči postojati u jednom tijelu.