Polykrystallinsk silicium
Linas JuozėnasDel
Polykrystallinsk silicium
Polykrystallinsk silicium er et krystallinsk siliciummateriale, der består af mange enkeltstående siliciumkrystaller, kaldet korn. I hvert korn er atomerne ordnet i et velordnet kubisk diamantgitter, men gitteret i nabokornene er drejet i forskellige vinkler. Der, hvor de mødes, dannes korngrænser. Netop denne polykrystallinske struktur adskiller polykrystallinsk silicium fra monokrystallinsk silicium og giver det en karakteristisk mosaikagtig overflade. Dette materiale blev et af de vigtigste mellemled, der forbinder kvart råmateriale, solceller, mikroelektronik og ultrarene siliciumkrystaller.
Kemisk set er det det samme silicium, men i stedet for én ubrudt krystalorientering består det af tusinder eller millioner af mindre krystallinske områder
Rent krystallinsk silicium består af siliciumatomer, der er bundet sammen i et særdeles velordnet tredimensionelt netværk. I et enkelt krystalkorn bevarer denne orden den samme orientering.
Et polykrystallinsk materiale består af mange sådanne korn. Ét kan være drejet nogle få grader, mens et andet er orienteret i en helt anden retning. Inde i kornet forbliver gitteret velordnet, men når man nærmer sig kanten, kan atomrækkerne ikke længere fortsætte helt regelmæssigt.
Området, hvor de mødes, kaldes en korngrænse. Det lokale miljø for nogle atomer er en smule anderledes dér, så krystalstrukturfejl, urenheder og elektroniske tilstande kan samle sig i disse områder.
Ved første øjekast kan denne forskel virke ubetydelig, men i elektronik er den meget vigtig: Elektroner og huller bevæger sig anderledes i et næsten perfekt krystalgitter end i et materiale, der gennemskæres af mange korngrænser.
Essensen af polykrystallinsk silicium: hvert enkelt korn er en krystal, men hele materialet er ikke én krystal. Det er et fællesskab af mange krystaller.
Krystalkorn
Et lille siliciumområde, hvor atomerne bevarer én fælles krystallografisk orientering.
Korngrænse
Område, hvor to forskelligt roterede krystalgitre mødes.
Polykrystallinsk helhed
Mange korn vokser mekanisk sammen og danner ét sammenhængende stykke silicium.
Grå, skinnende og sprød halvleder, hvis elektriske egenskaber i høj grad påvirkes af renhed, urenheder og størrelsen af de krystallinske korn
| Kemisk symbol | Si |
|---|---|
| Materialetype | Polykrystallinsk elementær halvleder |
| Atomnummer | 14 |
| Krystallinsk struktur inde i kornet | Diamantlignende kubisk struktur |
| Hårdhed | Cirka 6,5–7 på Mohs-skalaen |
| Densitet | Omkring 2,33 g/cm³ |
| Smeltepunkt | Omkring 1414 °C |
| Farve | Mørkegrå, sølvgrå, blågrå eller næsten sort |
| Glans | Fra metallisk til halvmetallisk |
| Mekaniske egenskaber | Hårdt, men sprødt |
| Elektrontype | Halvleder |
| Båndgab | Omkring 1,12 eV ved stuetemperatur |
| Elektrisk ledningsevne | Afhænger i høj grad af temperatur, renhed og kontrolleret doping |
| Vigtigste strukturelle forskel | Mange krystaller med forskellig orientering, adskilt af korngrænser |
Hvert siliciumatom bindes til fire naboatomer og danner et tetraedrisk netværk, der minder om diamantstrukturen
Gentagen orden i tre dimensioner
I krystallinsk silicium har hvert atom fire nærmeste naboer, som også er siliciumatomer. De kovalente bindinger danner et tredimensionelt tetraedrisk netværk, der bestemmer både krystallens geometri og dens halvlederegenskaber.
Fire bindinger
Hvert siliciumatom har fire valenselektroner og danner fire stærke kovalente bindinger i krystallen.
Tetraedrisk geometri
Naboatomerne er placeret i tetraedriske retninger, så gitteret ikke er et simpelt kubisk net.
Diamantstruktur
Siliciums gittertype er grundlæggende den samme som diamantens, selvom siliciumatomerne er større, og bindingerne er svagere end i en kulstofkrystal.
Elektroniske tilstande
Den periodiske opstilling af atomer danner valens- og ledningsenergibånd.
Halvlederens forbudte bånd
Der er et forbudt energibånd mellem valensbåndet og ledningsbåndet, så silicium hverken er et metal med god ledeevne eller en almindelig isolator.
Temperaturens påvirkning
Varme kan give elektroner tilstrækkelig energi til at bevæge sig ind i ledningsbåndet og øge den elektriske ledningsevne.
I polykrystallinsk silicium gentages det samme diamantlignende kubiske gitter i hvert korn. Det er ikke den lokale atomorden, der varierer, men hele kornets orientering i rummet.
Den mosaiklignende overflade af polykrystallinsk silicium består af individuelle krystalområder, som reflekterer lys forskelligt på grund af deres forskellige orientering
Én overflade, mange krystallografiske vinkler
Atomerne ved hvert korns overflade har en lidt forskellig orientering i forhold til retningen af indfaldende lys, kemisk ætsning og mekanisk bearbejdning. Derfor kan tilstødende områder se lysere, mørkere eller mere blålige ud.
Inde i kornet
Her er atomernes placering ret regelmæssig og minder meget om strukturen i en enkeltkrystal.
Grænse
Der, hvor to områder med forskellig orientering mødes, kan ikke alle atomare bindinger fortsætte i en fuldstændig periodisk sekvens.
Krystaldefekter
Grænserne kan indeholde forvrængede bindinger, dislokationer og andre gitterdefekter.
Ophobning af urenheder
For nogle fremmede atomer er det energetisk mere fordelagtigt at samle sig ved korngrænserne end inde i et perfekt gitter.
Rekombination af ladningsbærere
Ved grænserne kan elektroner og huller lettere rekombinere, hvilket forkorter deres nyttige levetid.
Kornstørrelse
Jo større kornene er, desto færre grænser findes der i samme materialevolumen.
Korngrænser er ikke blot synlige linjer. De er egentlige grænseflader mellem krystalområder, som kan påvirke ladningstransporten, den mekaniske respons og fordelingen af urenheder.
For at fremstille siliciumdioxid til elektronik med den rette renhed skal silicium ikke blot smeltes, men næsten alle uønskede urenheder skal også fjernes
Råmateriale med siliciumdioxid
Den industrielle fremstillingsproces begynder typisk med kvarts eller et andet materiale med et meget højt indhold af siliciumdioxid.
Reduktion med kulstof
Ved høj temperatur fjernes ilten, og der fremstilles elementært silicium af metallurgisk renhed.
Silicium omdannes til flygtige forbindelser
For at kunne rense silicium med meget stor præcision omdannes det kemisk til forbindelser, der kan destilleres.
Forbindelser renses
Ved destillation adskilles stoffer, hvis kogepunkt og kemiske egenskaber adskiller sig fra den ønskede siliciumforbindelses.
Rent silicium aflejres
Ved høj temperatur spaltes en gasformig siliciumholdig forbindelse, og grundstoffet silicium aflejres på et opvarmet underlag.
Polysilicium fremstilles
Der dannes et meget rent polykrystallinsk siliciumsmateriale, som senere kan smeltes og bruges til at dyrke andre krystalformer.
I industrien henviser termen polysilicium ofte til meget rent polykrystallinsk silicium - et råmateriale, som senere kan bruges til at dyrke enkeltkrystaller eller støbe multikrystallinske barrer.
Når det smeltede silicium afkøles, opstår der samtidig krystalkerner mange steder, som vokser, indtil de berører hinanden
Silicium smeltes
Når smeltepunktet overskrides, forsvinder den langtrækkende krystalorden, og atomerne bevæger sig i den flydende smelte.
Temperaturen begynder at falde
Når smelten afkøles, opstår der betingelser for, at atomerne igen kan forbindes i et diamantlignende kubisk krystalgitter.
Der dannes mange kerner
Enkelte siliciumkrystaller begynder at vokse forskellige steder i smelten.
Krystallerne vokser
Hver kerne vokser med sin egen krystallografiske orientering og indbygger stadig flere siliciumatomer.
Kornene berører hinanden
De voksende krystallers fronter mødes og kan ikke fortsætte deres gitre uden et strukturelt kompromis.
Der dannes korngrænser
Hele materialet størkner til én sammenhængende blok, men indeni bevares mange forskellige krystallografiske orienteringer.
Hvis hele smelten blev krystalliseret fra én korrekt orienteret krystalspire, og der ikke opstod yderligere kim, ville man kunne få en monokrystal. En polykrystal dannes, når mange krystallisationscentre vokser samtidigt.
Polykrystallinsk silicium bidrog til at gøre fotovoltaisk teknologi til et energiproduktionssystem i industriel skala
Fra lys til elektrisk kredsløb
En foton fra sollys kan overføre energi til en elektron i silicium og excitere den til ledningsbåndet. Et passende udformet elektrisk feltområde adskiller elektronen fra det tilbageværende hul og leder ladningen ud i det eksterne kredsløb.
Fotonabsorption
Lys med tilstrækkelig energi kan skabe en mobil elektron og en positiv ladningsbærer - et hul.
p-type- og n-type-silicium
Ved at indføre kontrollerede mængder af forskellige dopstoffer kan man skabe områder med forskellige koncentrationer af ladningsbærere.
p–n-overgang
Det elektriske felt, der dannes ved grænsefladen mellem to områder, hjælper med at adskille de lysgenererede ladningsbærere.
Tab ved korngrænserne
Nogle elektroner og huller kan rekombinere ved korngrænserne, før de når elektroderne.
Store korn
Større krystallinske korn reducerer antallet af grænser og bidrager normalt til at bevare bedre elektroniske egenskaber.
Blå overflade
Den blå farve, som kendetegner mange klassiske polykrystallinske solcelleelementer, forstærkes af overfladebelægninger, der reducerer refleksion.
Et polykrystallinsk solcelleelement er ikke «mindre krystallinsk» end et monokrystallinsk. Det indeholder mange ægte krystaller - deres orienteringer er blot forskellige, og der er flere grænser mellem dem.
Tynde lag af polykrystallinsk silicium gør det muligt at fremstille transistorer dér, hvor et massivt monokrystal ikke er nødvendigt
Tyndfilmstransistorer
Polykrystallinsk silicium kan bruges i tyndfilmstransistorer i skærme og andre elektroniske strukturer.
Integrerede kredsløbs gates
Tidligere blev stærkt dopet polysilicium i vid udstrækning brugt som materiale til gateelektroder i MOS-transistorer.
Modstande
Ved at kontrollere kombinationen af kornstruktur, doping og laggeometri kan man danne elektriske modstande.
Mikromekaniske systemer
Lag af polykrystallinsk silicium kan blive til mikroskopiske bjælker, membraner og bevægelige strukturer.
Sensorer
På grund af sine mekaniske og elektriske egenskaber kan polykrystallinsk silicium bruges i mikrosensorer til tryk, bevægelse og andre parametre.
Kontrolleret doping
Mængden af bor, fosfor eller andre egnede dopstoffer kan ændre koncentrationen af frie ladningsbærere med mange størrelsesordener.
I elektronik betyder ordet polysilicium ofte ikke et stort, skinnende stykke silicium, men et meget tyndt lag af polykrystallinsk silicium, der er integreret i en kompleks mikrochipstruktur.
I begge materialer binder atomerne sig på samme måde, men i det ene fortsætter krystalgitteret næsten uden at ændre retning, mens det i det andet er opdelt i mange krystallinske områder
Monokrystal
Næsten hele barrens krystallografiske orientering er den samme.
Polykristal
Barren består af mange områder med forskellig krystallografisk orientering.
Korngrænser
I en monokrystal er der næsten ingen korngrænser, mens de i en polykristal danner et omfattende indre netværk.
Elektrontransport
Den bedre orden i en monokrystal gør det generelt muligt for ladningsbærere at bevæge sig med færre strukturelle forhindringer.
Vækstmåde
For at fremstille en monokrystal skal man kontrollere væksten af én krystal, mens et polykristallinsk materiale kan størkne fra mange krystallisationskim.
Udseende
På overfladen af polykristallinske materialer kan man ofte se et mosaiklignende mønster dannet af de enkelte korn.
Monokrystallinsk og polykristallinsk silicium er ikke to forskellige kemiske stoffer. Begge kan bestå af næsten rent elementært silicium - forskellen ligger i omfanget af deres krystallinske orden.
Grundstoffet, hvis forbindelser udgør en stor del af klippernes verden, blev også et af de vigtigste fundamenter for den digitale civilisation
I naturen findes silicium næsten aldrig som store krystaller af det rene grundstof, fordi det meget let binder sig til ilt. I kvarts, feldspat og utallige silikatmineraler findes det i oxideret form.
Siliciums industrielle historie begyndte med, at man lærte at adskille silicium fra ilt og andre grundstoffer, og siden blev der udviklet stadig mere avancerede metoder til at rense det.
Elektronikrevolutionen krævede ikke bare silicium, men ultrarent silicium med en kontrolleret krystalstruktur. Selv meget små mængder uønskede grundstoffer kan ændre en halvleders elektriske egenskaber markant.
Produktionen af polykristallinsk silicium blev et bindeled mellem råvarekemi og krystalteknik. Af smeltet, renset polykristallinsk silicium kan man forme barrer til solceller eller bruge det til at dyrke store monokrystaller til mikroelektronik.
Sådan blev et af jordskorpens mest udbredte grundstoffer til et materiale, hvor rigelig forekomst betyder mindre end en usædvanligt præcis kontrol af struktur og renhed.
Silicium fik teknologisk værdi, da mennesker lærte ikke blot at udvinde det, men også at kontrollere næsten alle aspekter af dets krystaller - fra urenheder til atomernes orientering.
Byen med de mange krystaller
I det smeltede silicium opstod flere små krystaller næsten samtidig.
Hver begyndte at vokse i sin egen retning.
„Hvis vi ikke alle er orienteret på samme måde, bliver vi aldrig til ét legeme,« sagde den første krystal.
Men temperaturen blev ved med at falde, og krystallerne blev stadig større.
Til sidst mødtes deres kanter.
Deres gitre passede ikke perfekt sammen. Der opstod en grænse mellem dem.
„Ser du?« sagde den første. »Vi er stadig forskellige.«
„Ja,« svarede den anden. »Men nu er vores grænse ikke et mellemrum. Den er blevet det sted, hvor vi er vokset sammen.«
Da hele smelten var størknet, var der ikke én perfekt krystal. Der var millioner – og sammen blev de til ét velfungerende materiale.
Dette er ikke en oldgammel legende. Det er en kreativ fortælling inspireret af den virkelige kornvækst i polykrystallinsk silicium.
Enhed blandt mange retninger, evnen til at bevare en særpræget struktur og samtidig skabe et større system, der fungerer takket være alle dets dele
I et moderne symbolsk sprog kan polykrystallinsk silicium forbindes med samarbejde, opbygning af komplekse systemer, integration af forskellige evner og en forståelse af, at enhed ikke nødvendigvis betyder ensartethed. Dette er en kreativ fortolkning, ikke en videnskabeligt dokumenteret virkning på mennesker.
Et enkelt korn
Hver del af et menneskes liv kan have sin egen retning og stadig være en del af en større helhed.
Korngrænse
Forskellen mellem to mennesker eller idéer kan ikke blot være en kilde til konflikt, men også selve det sted, hvor de mødes.
Krystallisation
Orden kan opstå mange steder på én gang og senere samles til ét system.
Halvleder
Evnen til at styre, hvornår energi strømmer, og hvornår strømmen standser, kan symbolisere bevidst fastsatte grænser og målrettet handling.
Solcelle
Energi udefra kan ikke blot optages, men også omdannes til nyttigt arbejde.
En mosaikagtig helhed
Et komplekst system behøver ikke at skjule sine forskellige dele – nogle gange er det netop dem, der skaber dets mest interessante struktur.
Et ritual for fælles struktur
Denne tørre symbolske øvelse er beregnet til situationer, hvor du har flere forskellige opgaver, evner eller personer og gerne vil finde ud af, hvordan du kan samle dem i ét velfungerende system uden at tvinge alle delene til at blive ens.
Det skal du bruge
- en prøve af polykrystallinsk silicium;
- et ark papir;
- en kuglepen;
- af et system eller et projekt, som du gerne vil organisere mere effektivt.
Korn
Tegn flere adskilte områder på et ark, og skriv én projektdel, person, evne eller et ansvarsområde i hvert område.
Retninger
Notér ved hver del, hvad den gør bedst, og hvilken retning den ikke bør tvinges til at ændre.
Grænser
Skriv mellem de tilstødende områder, hvilke oplysninger, ressourcer eller beslutninger der skal gå fra det ene til det andet.
Defektsteder
Markér én grænseflade, hvor der lige nu går mest tid, energi eller tydelighed tabt.
Stærkere forbindelse
Vælg én lille ændring, der kan forbedre samspillet ved netop denne grænse: en tydeligere regel, bedre informationsudveksling eller en enklere proces.
Gentagne ord
Læg polykrystallinsk silicium i midten af diagrammet, og sig følgende tre gange:
Jeg bevarer hver retning og styrker hver forbindelse,
af mange enkeltdele skaber jeg en fungerende helhed, der er større end summen af delene.
Afslutning
Sig: „Enhed kræver ikke ensartethed. Hver del kan bevare sin retning, og jeg styrker de steder, hvor de mødes.“
Ofte stillede spørgsmål om polykrystallinsk silicium
Hvad er polykrystallinsk silicium?
Hvad er dets kemiske formel?
Hvordan adskiller polykrystallinsk silicium sig fra monokrystallinsk silicium?
Hvad er en korngrænse?
Er hvert korn af polykrystallinsk silicium en ægte krystal?
Hvor hårdt er silicium?
Hvad er densiteten?
Hvorfor ser polykrystallinsk silicium ud som en mosaik?
Hvad er polysilicium?
Bruges polykrystallinsk silicium i solceller?
Hvorfor er korngrænser vigtige i solceller?
Bruges polysilicium i mikroelektronik?
Hvad symboliserer polykrystallinsk silicium i den moderne forestillingsverden?
Polykrystallinsk silicium viser, at man kan skabe en velfungerende struktur ikke ved at fjerne forskellene, men ved omhyggeligt at organisere de steder, hvor forskellige retninger mødes
Dets historie begynder med det samme siliciumatom, som i naturen oftest findes skjult i kvarts og silikatmineraler.
Når renset og smeltet silicium afkøles, begynder det at krystallisere mange steder på samme tid.
Hver krystal vokser i sin egen retning, og når de mødes, danner de korngrænser og bliver sammen til ét hårdt polykrystallinsk legeme.
I teknologiens verden forbinder dette materiale kemi, krystalfysik, solenergi og mikroelektronik. I symbolsprog kan det minde os om, at en kompleks helhed ikke nødvendigvis behøver én retning – nogle gange viser dens styrke sig, fordi mange forskellige krystaller lærer at eksistere i én krop.