Polikristalni silicij
Linas JuozenasPodijeli
Polikristalni silicij
Polikristalni silicij je materijal od kristalnog silicija sastavljen od mnoštva pojedinačnih kristala silicija, nazvanih zrnima. U svakom zrnu atomi su raspoređeni u uređenoj dijamantskoj rešetki, ali su rešetke susjednih zrna zakrenute pod različitim uglovima. Na njihovim mjestima susreta nastaju granice zrna. Upravo ta polikristalna struktura razlikuje polikristalni silicij od monokristalnog silicija i daje mu karakterističnu mozaičnu površinu. Ovaj materijal postao je jedna od najvažnijih međufaza između kvarcne sirovine, solarnih ćelija, mikroelektronike i izuzetno čistih kristala silicija.
Hemijski je to isti silicij, ali umjesto jedne neprekinute kristalne orijentacije u njemu postoje hiljade ili milioni manjih kristalnih područja
Čisti kristalni silicij sastoji se od atoma silicija povezanih u veoma uređenu trodimenzionalnu mrežu. U jednom kristalnom zrnu taj se red nastavlja u jednoj orijentaciji.
U polikristalnom materijalu ima mnogo takvih zrna. Jedno može biti zakrenuto za nekoliko stepeni, a drugo – potpuno u drugom smjeru. Dok smo unutar jednog zrna, rešetka ostaje uređena, ali kada se približimo njegovom rubu, nizovi atoma više se ne mogu savršeno nastaviti.
Mjesto susreta naziva se granica zrna. Na njoj dio atoma ima nešto drugačije susjedstvo, pa se tu mogu koncentrirati kristalni defekti, primjese i elektronska stanja.
Ova razlika na prvi pogled djeluje mala, ali je važna za elektroniku: elektroni i šupljine kreću se drugačije kroz savršenu kristalnu rešetku nego kroz mnoštvo njenih granica.
Suština polikristalnog silicija: svako pojedinačno zrno je kristal, ali cijeli materijal nije jedan kristal. On je skup mnogih kristala.
Kristalno zrno
Malo područje silicija u kojem atomi zadržavaju jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Granica zrna
Područje u kojem se susreću dvije različito zakrenute kristalne rešetke.
Polikristalna cjelina
Mnoštvo zrna mehanički srasta i čini jedinstven komad silicija.
Siva, sjajna i krta poluprovodnička materija čije električno ponašanje snažno mijenjaju čistoća, primjese i veličina kristalnih zrna
| Hemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluprovodnik |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura u zrnu | Dijamantska kubna struktura |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 prema Mosovoj skali |
| Gustina | Oko 2,33 g/cm³ |
| Temperatura topljenja | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiva, sivosrebrna, plavkastosiva ili crnkasta |
| Sjaj | Metalni ili polumetalni sjaj |
| Mehanička svojstva | Čvrst, ali krt |
| Elektronski tip | Poluprovodnik |
| Širina zabranjene zone | Oko 1,12 eV na sobnoj temperaturi |
| Električna provodljivost | U velikoj mjeri zavisi od temperature, čistoće i kontrolisanog dopiranja |
| Glavna strukturna razlika | Mnoštvo kristalnih orijentacija i granica zrna koje ih razdvajaju |
Svaki atom silicija povezuje se s četiri susjedna atoma, stvarajući tetraedarsku mrežu sličnu dijamantskoj strukturi
Raspored koji se ponavlja u tri pravca
U kristalnom siliciju svaki atom ima četiri najbliža susjedna atoma silicija. Kovalentne veze stvaraju prostornu mrežu tetraedara, 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 raspoređuju se u pravcima tetraedra, pa rešetka nije jednostavna kubna mreža.
Dijamantska struktura
Tip rešetke silicija isti je kao kod dijamanta, iako su atomi silicija veći, a veze slabije nego u kristalu ugljika.
Stanja elektrona
Periodični raspored atoma stvara valentne i provodne energetske zone.
Pojasni jaz poluprovodnika
Između valentne i provodne zone ostaje energetski jaz, pa silicij nije ni dobar metal ni uobičajeni izolator.
Uticaj temperature
Toplota elektronima može dati dovoljno energije da pređu u provodnu zonu i povećaju provodljivost.
U polikristalnom siliciju ista dijamantska rešetka ponavlja se u svakom zrnu. Ne razlikuje se lokalni raspored atoma, već orijentacija cijelog zrna u prostoru.
Mozaičnu površinu polikristalnog silicija stvaraju zasebne kristalne oblasti koje različito odbijaju svjetlost zbog različite orijentacije
Jedna površina, mnoštvo kristalografskih uglova
Atomi na površini svakog zrna blago su drugačije orijentirani u odnosu na svjetlost, hemijsko nagrizanje i mehaničku obradu. Zbog toga susjedne površine mogu izgledati svjetlije, tamnije ili plavkastije.
Unutrašnjost zrna
Atomski raspored ovdje prilično je pravilan i sličan strukturi monokristala.
Granica
Kada se susretnu dvije orijentacije, sve atomske veze ne mogu se nastaviti u idealnom periodičnom nizu.
Kristalni defekti
Na granicama mogu postojati izobličene veze, dislokacije i druge nesavršenosti rešetke.
Nakupljanje primjesa
Neki strani atomi energetski povoljnije se nakupljaju na granicama zrna nego u savršenoj rešetki.
Rekombinacija nosilaca naboja
Elektroni i šupljine na granicama mogu se lakše spojiti, čime se smanjuje njihov korisni životni vijek.
Veličina zrna
Što su zrna veća, to na isti volumen materijala otpada manje granica.
Granice zrna nisu samo vidljive linije. One su stvarni kristalni spojevi koji mogu mijenjati kretanje električnog naboja, mehanički odziv i raspodjelu primjesa.
Put od silicij-dioksida do materijala pogodnog za elektroniku zahtijeva ne samo topljenje silicija već i uklanjanje gotovo svih stranih primjesa
Sirovina silicij-dioksida
Industrijski postupak najčešće počinje kvarcom ili drugim materijalom veoma bogatim silicij-dioksidom.
Redukcija ugljikom
Na visokoj temperaturi uklanja se kisik, čime se dobija elementarni silicij metalurškog kvaliteta.
Silicij se pretvara u isparljiva jedinjenja
Da bi se mogao izuzetno precizno pročistiti, silicij se hemijski pretvara u jedinjenja koja se mogu destilovati.
Jedinjenja se pročišćavaju
Destilacijom se odvajaju materijali čije se temperature ključanja i hemijsko ponašanje razlikuju od željenog jedinjenja silicija.
Taloži se čisti silicij
Na visokoj temperaturi gasovito jedinjenje koje sadrži silicij razlaže se, a elementarni silicij taloži se na zagrijanoj podlozi.
Dobija se polisilicij
Dobija se vrlo čisti polikristalni silicij, koji se kasnije može topiti i koristiti za uzgoj drugih kristalnih oblika.
Termin „polisilicij“ u industriji često označava vrlo čisti polikristalni silicij – sirovinu od koje se kasnije uzgajaju monokristali ili liju polikristalni ingoti.
Kako se rastopljeni silicij hladi, na mnogim mjestima istovremeno nastaju kristalna jezgra koja rastu sve dok se ne susretnu
Silicij se topi
Iznad temperature topljenja dugoročni kristalni poredak nestaje, a atomi se kreću u tečnom rastopu.
Temperatura počinje opadati
Hlađenjem nastaju uslovi da se atomi ponovo povežu u kristalnu dijamantsku rešetku.
Nastaje mnogo jezgara
Na različitim mjestima u rastopu počinju rasti zasebni kristali silicija.
Kristali se šire
Svako jezgro raste u vlastitoj kristalografskoj orijentaciji, vezujući sve više atoma silicija.
Zrna se susreću
Frontovi rastućih kristala dosežu jedni druge i više ne mogu nastaviti svoje rešetke bez strukturnog kompromisa.
Nastaju granice zrna
Sav materijal očvrsne u jedinstven blok, ali u njemu ostaje mnoštvo zasebnih kristalnih orijentacija.
Kada bi se cijela talina prisilila da raste iz jednog pravilno orijentiranog kristalnog jezgra, a druga jezgra se ne bi stvarala, mogao bi se dobiti monokristal. Polikristal nastaje kada istovremeno raste mnogo kristalnih centara.
Polikristalni silicij pomogao je pretvoriti fotonaponsku tehnologiju u masovni sistem proizvodnje energije
Od svjetlosti do električnog kruga
Solarni foton može prenijeti energiju na elektron u siliciju i podići ga u provodnu zonu. Pravilno oblikovano područje električnog polja odvaja elektron od preostale šupljine i usmjerava naboj u vanjski strujni krug.
Apsorpcija fotona
Svjetlost dovoljne energije može stvoriti pokretni elektron i pozitivnog nosioca naboja – šupljinu.
Silicij p- i n-tipa
Kontroliranim unošenjem različitih primjesa stvaraju se područja s različitim koncentracijama nosilaca naboja.
p–n spoj
Električno polje nastalo na spoju dvaju područja pomaže razdvajanju nosilaca naboja koje je stvorila svjetlost.
Gubici na granicama zrna
Dio elektrona i šupljina može se rekombinirati na granicama prije nego što dosegne elektrode.
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 elemente pojačavaju antirefleksni površinski slojevi.
Polikristalni solarni element nije „manje kristalan“ od monokristalnog. U njemu ima mnogo pravih kristala – jednostavno su njihove orijentacije različite i između njih ima više granica.
Tanki slojevi polikristalnog silicija omogućavaju izradu tranzistora tamo gdje nije nužna upotreba masivnog monokristala
Tankoslojni tranzistori
Polikristalni silicij može se koristiti u tankoslojnim tranzistorima ekrana i drugim elektroničkim strukturama.
Gejtovi mikročipova
Historijski se jako dopirani polisilicij široko koristio u elektrodama gejtova MOS tranzistora.
Otpornici
Kontrolirana kombinacija zrna, dopiranja i geometrije sloja omogućava oblikovanje električnih otpornika.
Mikromehanički sistemi
Slojevi polikristalnog silicija mogu postati mikroskopske grede, membrane i pokretne strukture.
Senzori
Mehanička i električna svojstva omogućavaju upotrebu polisilicija u mikrosenzorima pritiska, kretanja i drugih parametara.
Kontrolirano dopiranje
Količina bora, fosfora ili drugih odgovarajućih primjesa omogućava promjenu koncentracije slobodnih nosilaca naboja kroz mnoge redove veličine.
U elektronici riječ „polisilicij“ često ne označava veliki sjajni komad silicija, već vrlo tanak sloj polikristalnog silicija integriran u složenu strukturu mikročipa.
Atomi oba materijala povezuju se na isti način, ali se u jednom rešetka proteže gotovo bez promjene smjera, dok je u drugom podijeljena na brojna kristalna područja
Monokristal
Gotovo cijeli poluproizvod ima jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Polikristal
Poluproizvod se sastoji od mnogih zasebnih kristalnih orijentacija.
Granice zrna
U monokristalu ih gotovo nema, dok u polikristalu čine cijelu unutrašnju mrežu.
Kretanje elektrona
Savršeniji poredak monokristala obično omogućava nosiocima naboja da se kreću uz manje strukturnih prepreka.
Put proizvodnje
Za monokristal je potrebno kontrolisati rast jednog kristala, dok se polikristalni materijal može stvrdnjavati iz mnogih jezgara.
Izgled
Na polikristalnoj površini često se može vidjeti mozaični uzorak pojedinačnih zrna.
Monokristal i polikristal nisu dvije različite hemijske supstance. Oba mogu biti gotovo čisti elementarni silicij – razlikuje se obim njihove kristalne uređenosti.
Element čija jedinjenja čine najveći dio stijena na svijetu postao je i jedan od najvažnijih temelja digitalne civilizacije
U prirodi se silicij gotovo nikada ne pronalazi u obliku velikih kristala čistog elementa, jer se vrlo lako vezuje za kisik. Kvarc, feldspati i brojni silikati čuvaju ga u oksidiranom stanju.
Industrijska priča silicija počela je sposobnošću da se silicij odvoji od kisika i drugih elemenata, a zatim i njegovim sve naprednijim pročišćavanjem.
Elektronskoj revoluciji nije bio potreban jednostavno silicij, već silicij izuzetne čistoće i kontrolisane kristalne strukture. Čak i veoma male količine neželjenih elemenata mogu značajno promijeniti električna svojstva poluprovodnika.
Proizvodnja polisilicija postala je poveznica između hemije sirovina i inženjerstva kristala. Od pročišćenog polisilicija mogu se topiti poluproizvodi za solarne ćelije ili uzgajati veliki monokristali za mikroelektroniku.
Tako je jedan od najrasprostranjenijih elemenata Zemljine kore postao materijal u kojem nisu važni obilje, već izuzetno precizno kontrolisana struktura i čistoća.
Tehnološka vrijednost silicija pojavila se kada su ljudi naučili ne samo da ga izdvajaju, već i da kontrolišu gotovo svaki aspekt njegovog kristala – od primjesa do orijentacije atoma.
Grad od mnogih kristala
U tečnom siliciju gotovo istovremeno se rodilo nekoliko malih kristala.
Svaki je počeo rasti u svom smjeru.
„Ako nismo svi okrenuti u istom smjeru, nikada nećemo postati jedno tijelo“, rekao je prvi kristal.
Međutim, temperatura je i dalje padala, a kristali su se širili.
Na kraju su se njihove ivice susrele.
Rešetke se nisu savršeno poklopile. Između njih se pojavila granica.
„Vidiš?“ rekao je prvi. „Još smo različiti.“
„Da“, odgovorio je drugi. „Ali sada naša granica nije praznina. Postala je mjesto na kojem smo se spojili.“
Kada se cijela talina učvrstila, nije postojao jedan savršen kristal. Bili su to milioni njih – i svi su zajedno postali jedan funkcionalni materijal.
Ovo nije drevna legenda. To je kreativna priča nadahnuta stvarnim rastom zrna polikristalnog silicija.
Jedinstvo mnogih pravaca, sposobnost očuvanja vlastite strukture i istovremenog stvaranja većeg sistema koji funkcioniše upravo zahvaljujući svim svojim dijelovima
U savremenom simboličkom jeziku polikristalni silicij može se povezivati sa saradnjom, stvaranjem složenih sistema, integracijom različitih sposobnosti i razumijevanjem da jedinstvo ne mora značiti istovjetnost. Ovo je kreativna interpretacija, a ne naučno potvrđen uticaj na čovjeka.
Pojedinačno zrno
Svaki dio čovjekovog života može imati vlastiti pravac, a ipak pripadati većoj cjelini.
Granica zrna
Razlika između dvoje ljudi ili ideja može postati ne samo sukob već i pravo mjesto njihovog povezivanja.
Kristalizacija
Red može nastati istovremeno na mnogim mjestima i kasnije se povezati u jedan sistem.
Poluprovodnik
Sposobnost upravljanja time kada energija teče, a kada se zaustavlja, može simbolizirati svjesne granice i usmjereno djelovanje.
Solarna ćelija
Energija primljena izvana može se ne samo apsorbovati već i pretvoriti u koristan rad.
Mozaička cjelina
Složen sistem ne mora skrivati svoje različite dijelove – ponekad upravo oni stvaraju 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 sve ne prisilite da postane isto.
Šta će vam trebati
- jednog uzorka polikristalnog silicija;
- lista papira;
- olovke;
- jednog sistema ili projekta koji želite bolje urediti.
Zrna
Na papiru nacrtajte nekoliko odvojenih područja i u svako upišite jedan dio projekta, osobu, sposobnost ili odgovornost.
Pravci
Uz svaki dio označite šta radi najbolje i koji pravac ne bi trebalo prisilno mijenjati.
Granice
Između susjednih područja zapišite koje informacije, resursi ili odluke moraju preći iz jednog u drugo.
Mjesta defekata
Označite jedan spoj na kojem se trenutno gubi najviše vremena, energije ili jasnoće.
Jača veza
Odaberite jednu malu promjenu koja bi poboljšala upravo ovu granicu: jasnije pravilo, bolji prijenos informacija ili jednostavniji proces.
Bajanje
Stavite polikristalni silicij u središte sheme i izgovorite tri puta:
Pravce zadržavam, granice povezujem,
od mnogih dijelova stvaram funkcionalnu cjelinu.
Završetak
Recite: „Jedinstvo ne zahtijeva istovjetnost. Svaki dio može zadržati svoj pravac, a ja mogu ojačati mjesta na kojima se susreću.“
Najčešća pitanja o polikristalnom siliciju
Šta je polikristalni silicij?
Koja je njegova hemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicij razlikuje od monokristalnog?
Šta je granica zrna?
Da li je svako zrno polikristalnog silicija pravi kristal?
Kolika je tvrdoća silicija?
Kolika je njegova gustoća?
Zašto polikristalni silicij izgleda kao mozaik?
Šta je polisilicij?
Da li se polikristalni silicij koristi u solarnim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne za solarne ćelije?
Da li se polisilicij koristi u mikroelektronici?
Šta polikristalni silicij simbolizira u savremenoj mašti?
Polikristalni silicij pokazuje da se jedna funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, nego preciznim uređivanjem mjesta na kojima se različiti pravci susreću
Njegova historija počinje istim atomom silicija koji se u prirodi najčešće skriva u kvarcu i silikatnim mineralima.
Pročišćeni i istopljeni silicij tokom hlađenja počinje kristalizirati 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 energiju i mikroelektroniku. U simboličkom jeziku može podsjetiti da složena cjelina ne mora nužno imati jedan pravac – ponekad njena snaga nastaje zato što mnoštvo različitih kristala nauči postojati u jednom tijelu.