Silicis
Linas JuozėnasDel
Silicium: et tetraedrisk grundstof, der forbinder sten, glas, lys og logik
Silicium forbinder to skalaer, som sjældent omtales i fortællinger om det samme materiale. I jordskorpen danner det skeletter, kæder, lag og isolerede tetraedre med et oxygenatom i centrum, som indgår i kvarts, feldspat, ler, glimmer, pyroxen, amfibol og mange andre mineraler. Raffineret til sin elementære form bliver det samme atom til en præcist kontrollerbar halvleder, hvis ledningsevne kan ændres med meget små mængder bor, fosfor og lignende dopstoffer. Dets værdi skyldes ikke dets overflod som metal eller dets farve som ædelsten, men dets struktur: fire kovalente bindinger, et stabilt oxid, et justerbart båndgab og et produktionssystem, der kan forme milliarder af enheder på en poleret krystaloverflade.
Korte fakta
Grundstofsilicium er en halvleder med kovalente bindinger, ikke et almindeligt metal. Den polerede overflade kan se metallisk ud, men de elektriske egenskaber, det sprøde brud, den optiske absorption og krystalstrukturen, hvor hvert atom har fire naboer, placerer det i en anden materialekategori. Næsten alt silicium, der findes i naturen, er kemisk bundet til ilt og andre grundstoffer; grundstofsiliciumprøver i samlingsstørrelse er normalt blevet renset eller dyrket i et laboratorium.
| Betegnelse | Betydning | Vigtig forskel |
|---|---|---|
| Silicium | Grundstoffet Si i form af elementært stof, legering eller krystallinsk, polykrystallinsk eller amorft materiale. | Elementært silicium er hverken kvarts eller en fleksibel silikonepolymer. |
| Siliciumdioxid | Siliciumdioxid, SiO₂, findes i form af kvarts, tridymit, cristobalit, coesit, stishovit, opal, glas og beslægtede former. | Siliciumdioxid indeholder oxygen, og dets egenskaber adskiller sig markant fra egenskaberne ved elementært silicium. |
| Silikat | En stor gruppe mineraler og materialer, hvis struktur er baseret på silicium- og ilttetraedre, der er bundet til metaller og andre kationer. | Feldspat, glimmer, ler, pyroxen, amfibol, olivin og granat er silikater, ikke elementært silicium. |
| Silikone | En familie af syntetiske polysiloxanmaterialer, hvor silicium- og oxygenatomer skiftevis indgår i polymerernes hovedkæde. | Silikoner kan være gummiagtige, flydende, harpiksagtige eller klæbrige; de er ikke elementært silicium. |
| Siliciumcarbid | SiC er en hård, kovalent keramik, der findes naturligt som det sjældne mineral moissanit og fremstilles i forskellige former til tekniske anvendelser. | Det er hårdere og tættere og har andre optiske egenskaber end elementært silicium. |
| Polysilicium | Højrent polykrystallinsk silicium, der afsættes som stænger, stykker eller granulat til fremstilling af halvledere og solcelleprodukter. | Navnet henviser til mange krystallinske korn, ikke til en polymer, der indeholder silicium. |
| Monokrystallinsk silicium | En sammenhængende krystal, hvor den krystallografiske orientering er den samme i hele det anvendte volumen. | De fleste wafer til integrerede kredsløb fremstilles af omhyggeligt dyrkede monokrystallinske barrer. |
| Amorft silicium | Ikke-krystallinsk silicium, der afsættes som en tynd film, hydreres oftest for at reducere antallet af elektroniske defekter. | Det har ikke den langtrækkende orden i diamantkubisk struktur, som findes i en plade af en krystal. |
Identitet, betegnelse og grænsen mellem grundstof og mineral
Silicium er et grundstof, ikke en fællesbetegnelse for alle siliciumholdige materialer. Denne forskel er vigtig, fordi elementært silicium er en mørk, uigennemsigtig, skør halvleder med en diamantkubisk struktur, mens kvarts er gennemsigtig eller halvgennemsigtig siliciumdioxid, og silikone er en syntetisk polymer.
Navnets oprindelse går tilbage til ord, der er forbundet med flint og hård sten. Tidlige kemikere indså, at siliciumdioxid sandsynligvis indeholdt et ukendt grundstof, længe før de kunne isolere det. Den moderne engelske form silicon blev taget i brug, før man havde tilstrækkeligt rene prøver til detaljerede fysiske undersøgelser.
Der er rapporteret om naturligt forekommende elementært silicium i undersøgelser af sjældne meteoritter og stærkt reducerende miljøer på Jorden, men sådanne fund er normalt mikroskopiske og skal bekræftes med analytiske undersøgelser. En håndfladestor prøve mærket »silicium« er næsten altid et industrielt materiale: metallurgisk silicium, polysilicium, en krystal dyrket fra smelte, en wafer eller en forarbejdet komponent.
Elementært silicium
En kovalent krystal, der udelukkende består af siliciumatomer, bortset fra dopstoffer, urenheder, overfladeoxid og lag dannet under forarbejdning.
Siliciumdioxid
Krystallinske, glasagtige, opaline eller højtryksformer af siliciumdioxid. Dets iltskelet giver det helt andre optiske og kemiske egenskaber.
Silikatmineraler
Mineraler, hvor silicium- og ilttetraedre er bundet til aluminium, magnesium, jern, calcium, natrium, kalium og andre grundstoffer.
Siliciumlegeringer
Ferrosilicium og aluminium-siliciumlegeringer indeholder betydelige mængder silicium, men har egenskaber som flerfasede metalliske materialer snarere end som rene halvledere.
Silikoner
Industrielt fremstillede polymerer, hvis fleksibilitet, tætningsegenskaber, termiske stabilitet og overfladeegenskaber bestemmes af en grundlæggende Si–O-kæde med organiske sidegrupper.
Samlert terminologi
Beskrivelser bør angive, om prøven er af metallurgisk kvalitet, polysilicium, monokrystallinsk, polykrystallinsk, materiale til waferproduktion, belagt, dopet eller forarbejdet.
Atomar arkitektur: Hvorfor fire bindinger ændrer alt
Ved normalt tryk har krystallinsk silicium en diamantkubisk struktur. Hvert atom er bundet til fire naboatomer, der ligger i retningerne mod et tetraeders hjørner. Dette åbne, retningsbestemte netværk forklarer siliciums sprødhed, spaltbarhed, halvleder-båndstruktur, relativt lave densitet og usædvanlige udvidelse under størkning.
Tetraedrisk koordination
Hvert siliciumatom danner fire stærke kovalente bindinger med en ideel indbyrdes vinkel på omkring 109,5°. Denne geometri gentager sig i krystallen i tre dimensioner.
Diamantkubisk gitter
Denne struktur kan beskrives som to indbyrdes gennemtrængende kubiske fladecentrerede undergitter, der er forskudt i forhold til hinanden.
Spaltbarhed og brud
Enkeltkrystaller kan spaltes langs {111}-planer. Brudstykker viser også buede muslingeformede brudflader, især hvor bruddet ikke følger ét tydeligt plan.
Udvidelse ved størkning
I flydende silicium ligger atomerne tættere end i det faste siliciumns åbne tetraedriske struktur, så materialet udvider sig, når det størkner – en usædvanlig egenskab, som også findes hos vand og nogle få beslægtede materialer.
Højtryksstrukturer
Ved ekstremt højt tryk omdannes silicium til tættere faser med metalliske egenskaber. Det viser, at de elektriske egenskaber ikke kun afhænger af sammensætningen, men også af atomernes placering.
Isotopsammensætning
Naturligt silicium består hovedsageligt af ²⁸Si, mens der er mindre af ²⁹Si og ³⁰Si. Isotopisk rensning er vigtig i præcisionsmetrologi og i visse studier af kvanteenheder.
Enkeltkrystal
Én sammenhængende krystallografisk orientering gør det muligt at forudsige elektrontransport, styre spaltning og sikre reproducerbarhed i fremstillingen af enheder.
Polykrystallinsk silicium
Mange korn med forskellige orienteringer mødes ved grænser, som kan indfange ladning, sprede ladningsbærere, samle urenheder eller fremme brud.
Amorft silicium
Der er ingen langtrækkende orden. Ved brug i tyndfilmselektronik passiveres mange ubundne bindinger normalt med hydrogen.
Porøst og nanostruktureret silicium
Kontrolleret ætsning eller vækst skaber porer, tråde, partikler og fotoniske strukturer med andre egenskaber end det massive krystal.
Silicium på Jorden: tetraedre, forvitring, sedimenter og liv
Silicium er det næstmest almindelige grundstof i Jordens skorpe målt på masse, men det meste er bundet til oxygen. SiO₄-tetraedret er en af mineralogiens vigtigste strukturelle enheder; tetraedrene forbindes på forskellige måder og danner bjergarter fra kappen til kontinenternes overflade.
| Strukturel opbygning | Sådan forbindes tetraedrene | Karakteristiske materialer |
|---|---|---|
| Enkelte tetraedre | Hver SiO₄-enhed forbliver separat og forbindes med andre via andre kationer. | Olivin, granat, zirkon og mange mineraler fra kappen eller metamorfe mineraler. |
| Parvise grupper og ringe | Tetraederne deler visse oxygenatomer og danner dobbeltgrupper eller lukkede ringe. | Epidotgruppens strukturer, beryl, turmalin og beslægtede mineraler. |
| Enkeltkæder | Hvert tetraeder deler to oxygenatomer langs en langstrakt kæde. | Pyroxener som augit, diopsid og enstatit. |
| Dobbeltkæder | To tetraederkæder forbindes periodisk til bredere bånd. | Amfiboler som hornblende og tremolit. |
| Lag | Kiekvienas tetraedras deler tre oxygenatomer og danner brede lag. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasai | Alle fire tetraederhjørner indgår i et tredimensionelt netværk. | Feldspat, feldspatoider, zeolitter, kvarts og kvartsglas. |
Magmatiske bjergarter
Siliciumindholdet og mætningen med siliciumdioxid er med til at bestemme magmaens viskositet, mineralsammensætning, udbruddets karakter, og om der krystalliseres kvarts, feldspat, pyroxen, olivin eller feldspatoider.
Forvitring og jordbund
Når silikater forvitrer, frigives opløst kiselsyre, og der dannes lermineraler, mens atmosfærisk kuldioxid forbruges over geologiske tidsrum.
Sand og sedimenter
Kvarts består gennem mange forvitringscyklusser og ophobes i sand, sandsten, strandaflejringer, klitter og flodsystemer.
Biogen siliciumdioxid
Kiselalger, radiolarier, mange svampe og planters phytolitter danner strukturer af hydreret eller amorf siliciumdioxid, som de optager fra vand eller jord.
Siliciums adfærd i Jordens indre
I kappen indgår silicium i højtrykssilikater. Ved endnu højere tryk ændres koordinationen, og tætte strukturer bliver stabile.
Diagenese af siliciumdioxid
Biogen opal og vulkansk glas, der er begravet under sedimenter, kan omdannes til opal-CT, kalcedon eller kvarts, hvilket ændrer porøsiteten og bjergartens styrke.
Fysiske, termiske, kemiske og optiske egenskaber
Referenceværdierne afhænger af temperatur, krystalorientering, koncentrationen af urenheder, ladningsbærertæthed, kornstruktur og overfladebehandling. Derfor er egenskaberne for en enkeltkrystal af halvlederkvalitet mere reproducerbare end for et stykke metallurgisk silicium, der indeholder jern, aluminium, calcium, kulstof og andre urenheder.
| Egenskab | Typisk værdi eller adfærd | Praktisk betydning |
|---|---|---|
| Atomnummer | 14. | Bestemmer siliciums placering i 3. periode mellem aluminium og fosfor og i kulstofgruppen. |
| Standardatommasse | 28,085. | Afspejler den naturlige blanding af tre stabile isotoper. |
| Krystalsystem | Kubisk struktur af diamanttypen; rumgruppe Fd3̅m. | Bestemmer spaltelighed, anisotrope mekaniske egenskaber, elektroniske energibånd og pladens orientering. |
| Massefylde | Cirka 2,329 g/cm³ ved temperaturer tæt på stuetemperatur. | Lettere end galena, hæmatit, siliciumcarbid og de fleste metallisk udseende materialer, der ligner det. |
| Hårdhed | Cirka 6,5–7 på Mohs-skalaen. | Modstandsdygtigt over for ridser fra almindeligt stål, men kan ridses af kvarts, korund, diamant og hårdt slibestøv. |
| Spaltning og brud | Tydelig spaltning langs {111}-planer; i andre retninger er bruddet muslingeformet eller ujævnt. | Tynde plader og skarpe fragmenter kan pludseligt knække, når de bøjes eller trykkes på kanten. |
| Smeltepunkt | Cirka 1414 °C. | Muliggør krystalvækst fra smelten, men kræver krystaldyrkningssystemer, der kan styres og tåler høje temperaturer. |
| Kogepunkt | Cirka 3265 °C. | Vigtigt ved højtemperaturbearbejdning og kontrol af forurening i dampfasen. |
| Varmeledningsevne | For en monokrystal med høj renhed ved en temperatur tæt på stuetemperatur – cirka 148 W/m·K. | Højt sammenlignet med andre halvledere og keramiske faste stoffer, men lavere end for kobber eller sølv. |
| Termisk udvidelse | Lav; dets retningsbestemte egenskaber begrænses af det kubiske krystalgitter. | Nyttigt i præcisionsinstrumenter, selvom wafere stadig kan revne på grund af temperaturgradienter. |
| Båndgab | Indirekte båndgab med en bredde på cirka 1,12 eV ved stuetemperatur. | Egnet til elektronik og omdannelse af solenergi til elektricitet, men udsender ikke lys lige så effektivt som halvledere med direkte båndgab. |
| Synliglysoptik | Absorberer lys kraftigt og virker uigennemsigtig i sin almindelige massive form. | Polerede wafere ser mørkegrå, brungrå eller næsten sorte ud under overfladebelægningerne. |
| Infrarød optik | Højt brydningsindeks og praktisk anvendelig transmission i visse nær- og melleminfrarøde områder. | Muliggør fremstilling af infrarøde linser, vinduer, sensorer og integrerede fotoniske enheder. |
| Naturligt overfladeoxid | En tynd siliciumoxidfilm dannes naturligt i luften; et tykkere oxidlag af høj kvalitet dyrkes eller aflejres industrielt. | Passiverer overfladen og danner en teknologisk værdifuld overgang. |
| Kemiske egenskaber | Overfladeoxidet gør det stabilt i vand og modstandsdygtigt over for mange syrer ved stuetemperatur; det påvirkes af specialiserede ætsere og stærke baser. | Rengøring med husholdningsprodukter er normalt ikke nødvendig; det kan beskadige belægninger eller metalliseringslag. |
Halvlederfysik: ladningsbærere, dopstoffer, overgange og grænseflader
Ved stuetemperatur har rent krystallinsk silicium meget få bevægelige ladningsbærere sammenlignet med et metal. Dets praktiske anvendelser kommer til udtryk, når temperatur, lys, elektriske felter og omhyggeligt udvalgte urenheder ændrer antallet og bevægelsen af elektroner og huller.
Intrinsisk silicium
Termisk energi løfter lejlighedsvis en elektron over båndgabet og efterlader en bevægelig ubesat tilstand, der kaldes et hul. Der er lige mange elektroner og huller.
n-type silicium
Donoratomer, for eksempel fosfor, arsen eller antimon, afgiver elektroner, som bevæger sig lettere gennem krystallen end de naturlige ladningsbærere.
p-type silicium
Acceptoratomer, oftest bor, skaber mobile huller, som i valensbåndets struktur fungerer som positive ladningsbærere.
p–n-overgang
Der, hvor p-type- og n-typeområder mødes, opstår der et indre elektrisk felt, når ladningen omfordeles. Dioders, fotodioders, transistorers og solcellers funktion afhænger af denne overganges egenskaber.
MOS-overgang
Et lag af oxid eller et lignende dielektrikum, der dannes under kontrollerede forhold, adskiller gateelektroden fra silicium. Elektriske felter ved overgangen danner eller fjerner derefter en ledende kanal.
Defekter og fælder
Vakanser, dislokationer, urenheder, korngrænser, ufuldstændige bindinger og forurenede overflader kan fange ladning eller forkorte ladningsbærernes levetid.
| Materialets tilstand | Dominerende ladningsbærere | Fremstilling | Typisk anvendelse |
|---|---|---|---|
| Intrinsisk silicium | Lige mange termisk dannede elektroner og huller. | En særligt ren krystal uden bevidst indførte elektrisk aktive dopantatomer. | Referencepunkt til vurdering af egenskaber, detektormateriale og udgangspunkt for enheders design. |
| n-type silicium | Elektroner. | Bevidst doping med donoratomer, ofte fosfor, arsen eller antimon. | Transistorområder, kontakter, dioder, sensorer og solcellers strukturer. |
| p-type silicium | Huller. | Bevidst doping med acceptoratomer, oftest bor. | Substrater, transistorområder, overgange, sensorer og fotovoltaiske enheder. |
| Kompensationsdopet silicium | Bestemmes af balancen mellem donor- og acceptoratomer. | Begge typer dopantatomer forekommer, enten bevidst indført eller som følge af forurening. | Præcis styring af resistiviteten eller kompensation for virkningen af uønskede urenheder. |
| Degenereret dopet silicium | Meget høj koncentration af elektroner eller huller. | Kraftig doping under implantation, diffusion eller krystalvækst. | Kontakter med lav modstand og områder, der delvist har lederegenskaber. |
Fra kvarts til krystal til elektronik
Siliciumproduktion er en række trin, hvor den kemiske sammensætning og strukturen styres stadig mere præcist. Kvarts reduceres til metallurgisk silicium, som renses ved hjælp af flygtige forbindelser, udfældes som polysilicium, krystalliseres til en barre, skæres i wafere og derefter formes til strukturer gennem hundredvis af strengt kontrollerede procestrin.
- Carbotermisk reduktionKvarts eller kvartsit med høj renhed reagerer med kulstof i en ovn med nedsænket lysbue. Den forenklede samlede reaktion: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silicium af metallurgisk kvalitetProduktet fra ovnen indeholder typisk omkring 98–99 % silicium, mens indholdet af urenheder stadig er langt for højt til avanceret elektronik.
- Kemisk omdannelseSilicium omdannes gennem kemiske reaktioner til flygtige klorsilaner eller silan, så det kan destilleres og renses kemisk flere gange.
- Deponering af polysiliciumRensede gasser spaltes på opvarmede overflader eller i fluidiserede lejesystemer og danner ultrarene stænger eller granulat.
- KrystalvækstTrækning af krystaller med Czochralski-metoden eller rensning med den digelfrie zone-smeltemetode giver enkeltkrystaller med kontrollerede egenskaber; støbning eller retningsbestemt størkning giver multikrystallinsk materiale.
- Fremstilling af wafereFør komponentfremstillingen påbegyndes, orienteres barrerne og skæres i wafere, deres kanter afrundes, og overfladerne glattes, ætses og poleres.
Kvarts reduceres ved høj temperatur
I kemiske reaktioner i en elektrisk ovn fjerner kulstofholdige materialer ilt, så der dannes smeltet silicium med et kontrolleret, men stadig højt indhold af urenheder.
Silicium omdannes til gasser, der egner sig til rensning
Flygtige forbindelser gør det muligt at adskille bor, fosfor, metaller, kulstofholdige kemiske forbindelser og andre forurenende stoffer ved kemisk behandling.
Ultrarent polysilicium deponeres
Renheden, som udtrykt i procent har mange niere, opnås, fordi urenheder, der ellers ville ændre ladningsbærernes levetid og resistivitet, fjernes eller adskilles i hvert behandlingstrin.
Krystallens orientering bestemmes
En frøkrystal styrer væksten, så den valgte orientering bevares i den voksende barre, og koncentrationen af dopstoffer kontrolleres.
Barren omdannes til wafere
Savning med trådsav giver tynde skiver. Kantbearbejdning, kemisk ætsning og kemisk-mekanisk polering skaber en plan overflade med få defekter.
Komponenter dannes lag for lag
Elektroniske strukturer skabes på tværs af hele waferen ved oxidation, deponering, litografi, ætsning, implantation, diffusion, rengøring, udglødning og metallisering.
Industrielle former, krystaltyper og samlerprøver
Prøver af grundstoffet silicium er normalt produktionsprodukter, ikke fund fra geologiske ekspeditioner. Derfor er de mest nyttige oplysninger om deres oprindelse industrielle: fremstillingsproces, renhedsgrad, dyrkningsmetode, krystalorientering, belægning, producent, dato og oprindeligt formål.
Metallurgisk silicium
Mørke stykker i stålgrå farve med blanke brudflader, ujævnt fordelt urenheder, glasagtigt brud og undertiden blålig eller bronzefarvet overfladebelægning.
Polysiliciumstang
Silicium med høj renhed, udfældet med en mat, knudret, kornet eller blomkålslignende overflade omkring en central tråd.
Polykrystallinske siliciumgranulater
Små løse partikler, fremstillet så de er nemme at håndtere og smelte ved krystaldyrkning eller fremstilling af fotovoltaiske enheder.
Monokrystallinsk barre
En cylindrisk eller anden formet krystal, hvor orientering, diameter, iltindhold, dopant og specifik elektrisk modstand er nøje kontrolleret.
Spejlpoleret plade
En tynd, ekstremt flad skive med et hak eller en lige kantsektion til orientering. Farven kan skyldes oxid-, nitrid-, fotoresist- eller flerlagsfilm.
Multikrystallinsk plade
Et snit med mange krystallinske korn, som ofte fremhæves af ætsede grænser, retningsbestemt tekstur eller forskellig refleksion.
Dendritisk silicium
Forgrenede krystalformer, dyrket fra smelte under kontrolleret afkøling, snarere end dannet ved naturlig mineralvækst.
Amorf siliciumfilm
Et tyndt aflejret lag, der bruges i elektronik, detektorer, skærme og fotovoltaiske strukturer, snarere end en separat krystalsamlergenstand.
Silicium dyrket efter Czochralski-metoden
Dyrkes fra smeltet siliciumdioxid i en digel. Iltindholdet kan kontrolleres og påvirker den mekaniske styrke og defektadfærden.
Silicium dyrket ved digelfri zone-smeltning
En smal smeltezone bevæger sig langs stangen uden brug af en digel, hvilket giver silicium med et ekstremt lavt iltindhold og en høj specifik elektrisk modstand.
Multikrystallinsk silicium til solceller
Traditionelt blev det støbt til blokke, der indeholder mange krystallinske korn. Korngrænser og urenheder gør passivering og omhyggelig udformning af solceller nødvendig.
Teknologisk bearbejdet chip
Et afskåret stykke af en plade med transistorer, sensorer, forbindelsesledere, optiske strukturer eller testmønstre. De synlige farver skyldes hovedsageligt overfladefilm.
Historisk plade
En plade med dokumenteret oprindelse og tilknytning til et genkendeligt forskningsprogram, en produktionslinje, en generation af enheder eller en institution kan have teknologisk betydning, der overstiger dens materialeværdi.
Sjælden siliciumklump
Naturlige korn af elementært silicium er normalt mikroskopiske, kan identificeres ved hjælp af analytiske metoder og findes indlejret i en meteorit eller en usædvanlig jordisk matrix, ikke som store, fritstående krystaller til salg.
Overfladekemi, tyndfilmsfarver og infrarødt lys
Ubelagt silicium er naturligt ikke klart blåt, violet eller gyldent. Disse farver opstår som regel, når lys reflekteres fra både den øvre og den nedre grænseflade i en tynd, gennemsigtig film. Selv små ændringer i oxid- eller nitridtykkelsen ændrer interferensfarven markant.
Naturligt oxid
Ved kontakt med luft dannes et meget tyndt oxidlag, som passiverer overfladen kemisk, men kan være for tyndt til at skabe en tydeligt synlig farve.
Termisk oxid
Kontrolleret oxidation danner et tæt SiO₂-lag, hvis tykkelse kan måles optisk og vælges til isolering, maskering og styring af overfladeegenskaber.
Siliciumnitrid
Si₃N₄-belægninger bruges til passivering, styring af mekaniske spændinger, maskering og reduktion af refleksion. Deres interferensfarver kan ligne oxidfarver eller være mere intense.
Fotoresist og procesfilm
Organiske resister, metaller, dielektriske materialer og flerlagsstrukturer giver ekstra farver, som ikke afspejler selve det elementære siliciums bulkfarve.
Gennemsigtighed for infrarød stråling
Under absorptionskanten transmitterer tilstrækkeligt rent silicium en del af det infrarøde spektrum og har et højt brydningsindeks.
Absorption fra frie ladningsbærere
Kraftig doping skaber mobile ladningsbærere, som absorberer infrarød stråling og indsnævrer det nyttige optiske vindue.
| Observeret kendetegn | Sandsynlig årsag | Hvad man bør tage i betragtning ved vurderingen |
|---|---|---|
| Ensartet stålgrå brudflade | Frisk overflade af elementært silicium med en tynd dekorativ overfladefilm. | Metallurgiske urenheder kan gøre overfladen mørkere eller give den et plettet udseende. |
| Blå, violet, lyserød eller ravfarvet wafer | Tyndfilmsinterferens forårsaget af oxid, nitrid, resist eller flerlagsprocesbehandling. | Farven alene afslører ikke typen af dopant, renheden eller enhedens anvendelse. |
| Spejlblank, sortpoleret overflade | Absorption af synligt lys kombineret med en meget glat, reflekterende overflade. | Et mørkt udseende betyder ikke, at materialet er amorft eller urent. |
| Mat overflade af polykrystallinsk silicium | Mange små krystalflader, korngrænser, aflejrede knopper eller kemisk ætsning. | Teksturen kan opstå under fremstillingen og ikke som følge af naturlig krystallisation. |
| Radiale eller hvirvelformede mærker på waferen | Polering, rengøring, ujævn aflejring, striber fra krystalvækst eller rester fra fremstillingsprocessen. | Det kan kræve en professionel mikroskopisk undersøgelse at skelne fremstillingsspor fra skader. |
| Et regelmæssigt indhak eller et lige kantsegment | Et element til orientering og håndtering, som er formet under fremstillingen. | Dette er ikke en skade som følge af naturlig nedbrydning. |
Anvendelsesområder: fra kemien i bjergartsdannende forbindelser til programmerbare overflader
Siliciums betydning rækker langt ud over computerprocessorer. Dets forbindelser dominerer geologiske materialer, mens renset elementært silicium bruges til energikonvertering, sensorer, mekanik, optik, kemi og præcisionsmålinger.
Glas og keramik
Siliciumdioxid og silikater bruges til at fremstille vinduesglas, fibre, optisk glas, porcelæn, ildfaste materialer, glasurer, laboratorieudstyr og teknisk keramik.
Cement og beton
Calciumsilikater står for størstedelen af portlandcementens hydrering og betonens styrkeudvikling.
Integrerede kredsløb
Siliciumwafere bruges til at udvikle systemer til logik, hukommelse, analog elektronik, strømstyring, kommunikation og blandede signaler.
Fotovoltaik
Krystallinsk silicium absorberer sollys og adskiller lysgenererede ladningsbærere ved overgangene, og det er fortsat grundlaget for de fleste konventionelle solcellemoduler.
MEMS og sensorer
Mikromekanisk bearbejdet silicium bruges til at fremstille accelerometre, tryksensorer, mikrofoner, gyroskoper, væskestyringssystemer og resonansstrukturer.
Infrarød optik og fotonik
Det høje brydningsindeks og den infrarøde transmissionsgrad muliggør udvikling af bølgeledere, modulatorer, detektorer, linser og integrerede optiske kredsløb.
Metallurgiske legeringer
Silicium forbedrer støbeegenskaberne, deoxiderer stål, ændrer aluminiumlegeringers egenskaber og indgår i varmebestandige siliciders sammensætning.
Silikonmaterialer
Slutprodukter inden for industriel siliciumkemi omfatter fugemasser, elastomerer, smøremidler, indkapslingsmaterialer, materialer egnet til medicinsk brug og varmebestandige polymerer.
Præcisionsmetrologi
Særligt rene siliciumkrystaller og -kugler med kontrolleret isotopsammensætning anvendes til dimensionsmålinger og undersøgelser af fundamentale konstanter.
Kvanteenheder
Isotopisk renset silicium kan reducere magnetisk støj omkring spinbaserede kvantetilstande og udgøre en veludviklet produktionsplatform.
Identifikation og materialer, der ofte forveksles
Massivt elementært silicium genkendes mest pålideligt ud fra en kombination af kendetegn: lav densitet for et materiale med metallisk udseende, sprødt muslingeskalsbrud, mørkegrå farve, hård overflade, manglende formbarhed som hos metaller og industriel oprindelse. Fremstillede wafere er lettere at identificere ud fra geometri, hak, polering og teknologiske lag end ved hjælp af felttests.
Ikke-destruktiv undersøgelsesrækkefølge
Undersøg hele objektet, før du tester en enkelt blank overflade. Emballage, etiketter, spor efter forarbejdning, orienteringshak og tilhørende udstyr kan give mere information end selve bruddet.
- Fastslå objekttypenSkeln mellem silicium fra en smelter, polysilicium, en enkeltkrystal, en wafer, en chip, et belagt substrat, en legering eller en efterligning.
- Vurdér tætheden kvalitativtSilicium virker overraskende let sammenlignet med galena, hæmatit, stål eller siliciumcarbid af lignende størrelse.
- Undersøg bruddets geometriSe efter muslingeskalslignende buer, skarpe kanter, lysreflekterende flader og variation i korngrænserne.
- Undersøg overfladelageneFind ud af, om farven skyldes et oxid, et nitrid, metal, resist, urenheder eller en dekorativ belægning.
- Se efter en kornet strukturI polykrystallinsk materiale kan man se korngrænser, korn, segregerede urenheder og uregelmæssige brudforløb.
- Kontrollér de magnetiske egenskaberRent silicium er ikke ferromagnetisk; en stærk reaktion kan tyde på ferrosilicium, fastsiddende metal eller forurening.
- Undgå ridseprøver på skiverHårdhedsprøver beskadiger polerede overflader og kan forårsage revner, der starter ved kanten.
- Brug analysemetoder efter behovRaman-spektroskopi, røntgendiffraktion, måling af elektrisk resistivitet, måling af infrarød transmission og sammensætningsanalyse kan bekræfte materialets identitet og teknologiske tilstand.
| Materiale | Hvorfor det kan ligne silicium | Nyttige kendetegn |
|---|---|---|
| Kvarts eller kvartsglas | Lignende hårdhed, muslingeskalsbrud og en siliciumrig kemisk sammensætning. | Kvarts og kvartsglas er SiO₂, som normalt er gennemsigtige eller halvgennemsigtige og ikke-metalliske; elementært silicium er mørkt og uigennemsigtigt. |
| Siliciumcarbid | Mørkt kovalent materiale med metalglans eller regnbueglans på overfladerne. | SiC er betydeligt hårdere og tættere; det har ofte en tydeligere kunstig regnbueglans eller pladekrystaller. |
| Galenit | Blygråt metallisk udseende og sprødhed. | Galenit er meget tungere og blødere og har perfekt kubisk spaltelighed. |
| Hæmatit | Stålgrå overflader med metallisk eller halvmetallisk glans. | Hæmatit er tættere og efterlader en rødbrun streg. |
| Grafit | Mørkegrå farve, halvmetallisk glans og elektrisk ledeevne. | Grafit er meget blødt, fedtet at røre ved, efterlader et mørkt mærke og spaltes i bøjelige flager. |
| Ferrosilicium | Industrielle, mørke blokke med metallisk glans og et højt indhold af silicium. | Højere densitet, mulige magnetiske egenskaber, faser af metallegeringer og en kemisk sammensætning med et højt jernindhold. |
| Metalglas eller slagge | En mørk, lysreflekterende brudflade og en uregelmæssig industriform. | Bobler, flydestruktur, varierende densitet, blandet sammensætning og fravær af kendetegn for krystallinsk silicium. |
| Belagt glasplade | En flad, rund plade med farverige tyndfilm. | Lysgennemtrængning ved kanten, lavere densitet, bruddets udseende og optiske undersøgelser hjælper med at skelne glas fra silicium. |
Isolering, halvledervidenskab og fremkomsten af siliciums teknologiske platform
Siliciums historie strækker sig fra mineralanalyse til kemisk isolering, fra et sprødt laboratoriemateriale til en krystal med ultrahøj renhed og fra enkeltstående ensrettere til integrerede systemer. Det afgørende vendepunkt var ikke blot opdagelsen af grundstoffet, men også evnen til at kontrollere dets renhed, overflade, krystaldefekter og grænseflader.
Siliciumdioxid identificeres som et oxid af et ukendt grundstof
Kemikere indså, at kvarts og beslægtede materialer indeholder en bestanddel, der modstår almindelige reduktionsmetoder, men det var stadig vanskeligt at isolere den, fordi silicium danner stærke bindinger med ilt.
Urent silicium fremstilles, og det engelske navn tager form
Tidlige reduktionsforsøg frembragte et siliciumholdigt materiale, og det engelske navn »silicon« afløste former, der var dannet mere direkte efter mønster af metalliske grundstoffers navne.
Jöns Jacob Berzelius isolerer amorft silicium
Berzelius fremstillede og beskrev et langt renere grundstof og lagde dermed grundlaget for at fastslå siliciums kemiske identitet.
Krystallinsk silicium fremstilles
Henri Sainte-Claire Deville fik krystallinsk silicium, hvilket gjorde det lettere at undersøge dets glans, sprødhed og struktur.
Silicium bliver materiale i elektroniske detektorer
Spidsslutningsanordninger og krystaldetektorer viste ensretning, før dyrkning af krystaller med høj renhed muliggjorde moderne halvlederteknik.
Silicium med høj renhedsgrad baner vejen for transistorer og praktisk anvendelige solceller
Rensning, kontrol af dopanter, dannelse af overgange og krystalvækst gjorde silicium til et stadig mere praktisk alternativ til germanium.
Overfladepassivering, plantarteknologi og MOS-enheder omformer produktionen
Den kontrollerede grænseflade mellem silicium og oxid gjorde det muligt at beskytte overflader, forme enheders konturer ved hjælp af fotolitografi og skabe integrerede kredsløb med høj komponenttæthed.
Siliciums anvendelsesområder udvides til fotovoltaik, MEMS, fotonik, metrologi og kvanteforskning
Den samme produktionsplatform bruges nu til energiomdannelse, mekaniske sensorer, optiske kredsløb, krystaller med kontrolleret isotopsammensætning og enheder i nanometerskala.
Silicium blev et grundlæggende materiale, ikke fordi det er særligt ledende i naturlig tilstand. Det skyldes, at dets ledningsevne, overflade, geometri og grænseflader kan styres med enestående præcision.
Vurdering, oprindelse og relativ betydning
Der findes ikke noget universelt vurderingssystem for samlersilicium. Uforarbejdede smelteovnsbarrer, polysiliciumstænger, monokrystaller til forskning, wafere til produktion, chips med mønstrede kredsløb, tidlige solceller, historiske integrerede kredsløb og sjældne naturlige korn vurderes efter forskellige kriterier.
Materialeidentitet
Bekræft, om objektet er elementært silicium, en legering, siliciumkarbid, belagt glas, en teknologisk forarbejdet halvleder eller et andet industrielt materiale.
Krystalform
Notér, om prøven er monokrystallinsk, polykrystallinsk, dendritisk, i form af en amorf film, porøs, revnet, skåret, poleret eller aflejret.
Overfladens integritet
Undersøg kantafskalninger, spaltning langs spaltningsplaner, ridser, uklarhed, fingeraftryk, oxidfarve, delaminering, korrosion og skader på metalliseringslaget.
Teknologisk oprindelse
Producent, dyrkningsmetode, produktionssted, waferens krystallografiske orientering, dopant, resistivitet, diameter, dato og tilsigtet anvendelse kan være vigtigere end et fejlfrit udseende.
Historisk kontekst
Forskningsetiketter, generation af produktionsteknologi, institution, enhedstype, indkapsling og dokumentation kan hjælpe med at fastslå den teknologiske betydning.
Naturlig oprindelse
For at underbygge påstande om naturligt silicium kræves oplysninger om findestedet, værtsmaterialet og analytiske beviser samt den oprindelige matrix bevaret.
| Objekttype | Vigtigste egenskaber | Hvad skal undersøges? |
|---|---|---|
| Stykke metallurgisk silicium | Karakteristisk brud, industriel oprindelse, urenhedernes tekstur, størrelse og stabil overflade. | Om det er ændret ved ferrosilicium, om der er slagger, coating, oxidation eller skarpe kanter, og om oprindelseskilden er dokumenteret. |
| Polykrystallinsk siliciumpind eller granulat | Udfældningsmorfologi, dokumentation for renhed, fremstillingsmetode og intakt struktur. | Forurening, spor efter håndtering, brudt tråd, coating og vildledende påstande om en naturlig krystal. |
| Enkeltkrystalwafer | Diameter, orientering, indhak, tykkelse, polering, dopant, resistivitet og vækstmetode. | Afslag langs kanterne, mikrorevner, bøjning, ridser, forurening, coating og ukendt bearbejdningshistorik. |
| Mønstret wafer | Komponent- eller testmønster, produktionskontekst, dato, chipopbygning, dokumentation og overfladens bevaringstilstand. | Korroderet metal, delaminerede film, rester af fotolak, brækket kant og ufuldstændige oplysninger om oprindelsen. |
| Historisk chip eller kredsløb | Genkendelig funktion, producent, dato, kabinet, institution og teknologisk kontekst. | Ændret kabinet, fjernede etiketter, forfalsket mærkning, afbrudte forbindelser og manglende dokumentation. |
| Prøve af gedigent silicium | Naturlig matrix, præcist fundsted, analytisk bekræftelse, målestok og publikationshistorik. | Industriel forurening, smeltemateriale, nedslagsfragmenter, kunstig indlejring og udokumenteret oprindelsestilskrivning. |
Håndtering, opbevaring, udstilling og sikkerhed på værkstedet
Massivt elementært silicium er kemisk stabilt under normale indendørs forhold, men kanterne er sprøde, og bearbejdede overflader kan indeholde følsomme oxider, nitrider, metaller, polymerer eller komponentstrukturer. Håndteringen bør tilpasses hele genstanden, ikke kun siliciumsubstratet.
Massive stykker
Opbevar stykker med uregelmæssig form i polstrede holdere, beskyt dem mod at falde, og hold skarpe brudkanter på afstand af andre prøver og hænder.
Ucoatede wafere
Tag fat i kanten med rene handsker eller egnede værktøjer til waferhåndtering. Undgå at bøje dem, trykke på kanterne, stable dem uden mellemlæg og lade dem komme i kontakt med slibende partikler.
Coatede wafere
Antag ikke, at en farverig overflade er modstandsdygtig over for vand, alkohol, opløsningsmidler, rengøringsmidler eller aftørring. Den synlige film kan være blødere og mindre stabil end silicium.
Bearbejdede komponenter
Metalliske spor, kontaktflader, polymerer og indkapslede kredsløb kan korrodere eller delaminere. Aktive elektroniske komponenter kan også kræve beskyttelse mod elektrostatisk udladning.
Støvkontrol
Tørslib ikke silicium, skrub det ikke med sandpapir, bor ikke i det, og knus det ikke uden at tage forholdsregler. Brug egnede vådmetoder eller lokal udsugning, og anvend passende øjen- og åndedrætsværn.
Industriaffald af ukendt oprindelse
Bearbejdet materiale kan have metalfilm, dopstoffer, rester, loddemetal, fotolak eller forurening, som ikke kan ses fra forsiden.
| Fare | Mulig påvirkning | Forebyggelse |
|---|---|---|
| Kantpåvirkning | Afskalning, radiale revner, udbredelse af brud og skarpe fragmenter. | Brug polstrede understøtninger og holdere, der ikke berører kanterne, og opbevar skiven separat. |
| Bøjning af skive | Pludseligt, fuldstændigt brud ved en let bøjning eller en eksisterende kantdefekt. | Løft med jævn understøtning, og tving aldrig skiven ind i en for trang holder. |
| Slibende støv | Uoprettelige ridser, uklarhed, tab af glans på poleret overflade og beskadigelse af tyndfilm. | Fjern løse partikler med en ren blæsebælg eller en kontrolleret berøringsfri metode, før du tørrer af. |
| Husholdningsopløsningsmiddel eller rengøringsmiddel | Opsvulmning af resist, tab af belægning, metalkorrosion, rester og ændret interferensfarve. | Brug ikke vilkårlige kemiske rengøringsmetoder på bearbejdede overflader. |
| Temperaturgradient | Spændingsrevner, delaminering af film og beskadigelse af metallisering. | Undgå åben ild, dampe, varmeplader, kraftige lamper og pludselige temperaturændringer. |
| Elektrostatisk udladning | Beskadigelse af fungerende eller historisk betydningsfulde aktive kredsløb. | Hvis enheden stadig er elektrisk aktiv eller ubeskyttet, skal du bruge antistatiske forholdsregler, når du håndterer den. |
| Tørskæring eller slibning | Skarpe partikler i luften og potentielt brændbart fint pulver. | Brug støvkontrol, der egner sig til professionelt arbejde, og undgå at bearbejde affald med ukendte belægninger. |
| Ustabil fastgørelse | Skiven glider, kanterne klemmes, den går i stykker eller slides ved friktion mod hårde klemmer. | Brug brede understøtninger af inerte materialer, der undgår punktbelastning. |
Dokumentation og ansvarlig beskrivelse
En detaljeret beskrivelse af en siliciump prøve angiver separat grundstofsammensætning, renhedsklasse, krystalstruktur, industriel form, proceshistorik, belægning, enhedstilstand, naturlig oprindelse og tilstand. Betegnelsen »siliciumkrystal« alene kan skjule det meste af den information, der giver prøven betydning.
Materialeidentitet
Angiv, om det er elementært silicium, ferrosilicium, siliciumcarbid, belagt silicium, et glasunderlag, polysilicium eller et andet godkendt materiale.
Krystallinsk struktur
Dokumentér, om strukturen er monokrystallinsk, multikrystallinsk, polykrystallinsk, amorf, porøs, dendritisk eller ukendt.
Vækst- og rensningsmetode
Angiv, hvis det vides, metallurgisk smeltning, aflejring med Siemens-processen, fremstilling af granulat i fluidiseret leje, vækst med Czochralski- eller flydende zone-metoden, støbning eller filmaflejring.
Elektroniske egenskaber
Gem oplysninger om krystallografisk orientering, dopstof, ledningstype, resistivitet, diameter, tykkelse, planhed, iltindholdsklasse og anvendelse i komponenter.
Overfladelagenes struktur
Beskriv, om overfladen er ubelagt, oxideret, nitrideret, metalliseret, dækket med fotoresist, passiveret, mønstret eller ætset, eller om prøven sidder i en indkapsling.
Oprindelse og tilstand
Gem oplysninger om producent, institution, projekt, dato, emballage, tidligere brug, afslag i kanterne, ridser, forurening, reparationer og fotos.
Moderne symbolik og refleksion
Moderne symbolske fortolkninger af silicium kan bygge direkte på dets faktiske materialeegenskaber: dets struktur med fire bindinger, kontrollerede dopstoffer, selektiv ledningsevne, grænseflader mellem lag, præcis mønsterdannelse og omdannelsen af rigelige mineralråstoffer til præcise krystallinske platforme. Disse temaer er moderne refleksioner, ikke påstande om gamle siliciumtraditioner.
Først struktur, så kompleksitet
Et enormt elektronisk system begynder med gentagne lokale forbindelser: Hvert atom er forbundet med fire naboer på en forudsigelig måde.
Små tilsætninger, stor virkning
Meget lave koncentrationer af dopstoffer kan ændre ledningsevnen med flere størrelsesordener, hvilket minder os om, at nøje udvalgte bidrag er vigtigere end ukritisk overflod.
Grænseflader skaber funktion
Grænsen mellem silicium og et isolerende lag adskiller ikke blot: Det er netop her, styrede kanaler og komponenter bliver mulige.
Rensning gennem udvælgelse
Den renhed, elektronikken kræver, opnås ved gentagne gange at adskille og måle, ikke ved én imponerende fjernelsesproces.
Begrænsninger defineret af mønstre
Et nyttigt kredsløb leder ikke strøm overalt. Det styrer bevægelsen gennem målrettet udformede områder, barrierer og overgange.
Overflade og indre
Waferens farve kan skyldes en film, der kun er få nanometer tyk, hvilket minder os om, at det ydre udseende og den underliggende struktur hænger sammen, men ikke er det samme.
Oversigt over wafers og Månen
- Vælg ét system, der virker komplekst, fordi alle dets dele betragtes som lige ledende.
- Fastlæg den grundlæggende struktur, som skal forblive stabil.
- Nævn ét bidrag, der skal øges, én urenhed, der skal fjernes, og én grænse, der skal styrkes.
- Definér, hvor det skal være let at bevæge sig, og hvor modstand er nyttig.
- Vælg én målbar handling, der kan ændre systemet uden at bygge det hele om.
- Efter én fuld cyklus skal resultatet evalueres, og kun én variabel ændres ad gangen.
Læs videre i specialiserede vejledninger om silicium
Silicium kan udforskes gennem elementært siliciums krystallografi, halvlederoptik, geologi, industriel rensning, polykrystallinsk struktur, teknologihistorie, moderne symbolik og refleksionspraksis.
Ofte stillede spørgsmål
Er silicium et metal?
Silicium klassificeres normalt som et halvmetal. Overfladen ser metallisk ud, men det er en kovalent bundet halvleder, hvis ledningsevne afhænger langt mere af temperaturen og dopstofferne end i et almindeligt metal.
Er silicium og siliciumdioxid det samme?
Nej. Silicium er grundstoffet Si. Siliciumdioxid har formlen SiO₂ og omfatter kvarts, cristobalit, tridymit, opal, siliciumdioxidglas og højtryksformer.
Er silicium og silikone det samme?
Nej. Silikoner er en familie af syntetiske polymerer med en hovedkæde af skiftevis silicium- og oxygenatomer, hvortil der er knyttet organiske sidegrupper. Silikonegummi, -olie, -harpiks og -fugemasse er ikke grundstofsilicium.
Hvorfor er silicium som rent grundstof så sjældent?
Silicium danner stærke bindinger med oxygen og indgår let i strukturer af siliciumdioxid og silikater. Det kræver usædvanligt reducerende forhold at danne naturligt grundstofsilicium, og det forekommer normalt i mikroskopiske mængder.
Hvorfor ser en siliciumwafer blå eller lilla ud?
Farven skyldes normalt interferens i et tyndt lag af oxid, nitrid, fotoresist eller en flerlagsfilm. Ubelagt, poleret silicium er mørkegråt til næsten sort.
Hvorfor bruges silicium i computerchips?
Silicium har en passende båndgab-bredde, et oxid af høj kvalitet, der dannes naturligt og termisk, fremragende overfladepassivering, tilstrækkelig varmeledningsevne og mekanisk styrke. Desuden findes råmaterialerne i rigelige mængder, rensningsteknologierne er modne, og fremstillingsmetoderne er højt udviklede.
Hvad er forskellen på silicium af p-typen og n-typen?
Silicium af p-typen indeholder acceptorurenheder, som gør huller til de primære ladningsbærere. Silicium af n-typen indeholder donorurenheder, som gør elektroner til de primære ladningsbærere.
Hvad er et hul?
Et hul er en effektiv positiv ladningsbærer, der er knyttet til fraværet af en elektron i en tilstand i valensbåndet. Det opfører sig, som om en positiv ladning bevæger sig gennem krystallen.
Hvad er polysilicium?
Polysilicium er polykrystallinsk grundstofsilicium med høj renhed. Det aflejres normalt i form af stænger, stykker eller granulat og smeltes senere for at fremstille wafere eller solceller.
Hvad er forskellen på polykrystallinsk og monokrystallinsk silicium?
I monokrystallinsk silicium bevares én krystalorientering i hele det anvendte volumen. Polykrystallinsk silicium består af mange korn, der er adskilt af grænser, som påvirker brud, fordelingen af urenheder og ladningsbærernes transport.
Hvad er amorft silicium?
Amorft silicium har ikke langtrækkende krystallinsk orden og aflejres normalt som en tynd film. Der tilsættes ofte hydrogen for at passivere umættede bindinger og forbedre de elektroniske egenskaber.
Hvad er silicium dyrket med Czochralski-metoden?
Det er monokrystallinsk silicium, der dyrkes ved langsomt at trække og rotere en krystalfrø fra smeltet silicium i en digel af siliciumdioxid. Denne metode bruges til at fremstille de fleste almindelige store halvlederwafere.
Hvad er silicium fremstillet ved zoneudsmeltning uden digel?
Ved zoneudsmeltning uden digel renses og krystalliseres silicium ved at føre en smal smeltezone langs en siliciumstang uden brug af en digel. Metoden kan give et meget lavt iltindhold og en høj specifik modstand.
Hvorfor transmitterer silicium ikke synligt lys, men egner sig til infrarød optik?
Fotoner med synligt lys har normalt tilstrækkelig energi til at blive absorberet ved elektronovergange i silicium. Infrarøde fotoner med lavere energi kan trænge gennem tilstrækkeligt rent materiale inden for et bestemt bølgelængdeområde, som afhænger af anvendelsen.
Er silicium naturligt elektrisk ledende?
Ved stuetemperatur leder rent silicium elektricitet dårligt sammenlignet med et metal. Varme, lys, defekter og tilsigtet doping kan øge dets ledningsevne betydeligt.
Hvorfor øges siliciums ledningsevne, når det opvarmes?
Varme exciterer flere elektroner, så de kan overvinde båndgabet, og danner dermed flere elektron-hul-par. Stigningen i antallet af ladningsbærere kan opveje faldet i mobilitet, som skyldes gittervibrationer.
Kan elementært silicium ridse glas?
En skarp siliciumkant kan ridse mange typer almindeligt glas, fordi hårdheden er cirka 6,5–7 på Mohs-skalaen. Det er ikke nødvendigt at teste hårdheden på en fremstillet wafer eller en dokumenteret prøve, og testen beskadiger dem uopretteligt.
Hvorfor knækker silicium så let, selvom det er hårdt?
Hårdhed beskriver modstandsdygtighed over for ridser, ikke brud. Siliciums gitter med retningsbestemte kovalente bindinger er stift, men sprødt, og tynde wafere er følsomme over for kantdefekter og bøjning.
Kan silicium rengøres med vand?
Ubelagt massivt silicium tåler kortvarig kontakt med vand, men behandlede wafere kan indeholde film, metaller, polymerer eller rester, der ikke tåler det. Ved en uidentificeret behandlet prøve er tør, kontaktfri rengøring det sikreste første valg.
Kan jeg polere en ødelagt siliciumwafer?
Polering fjerner den eksisterende overflade og kan ødelægge den farve, som oxidlaget giver, lag af komponenter, tegn på oprindelse samt kantgeometrien. Det danner også fint støv, så det bør ikke gøres uden videre.
Er siliciumcarbid en form for silicium?
Siliciumcarbid indeholder silicium, men er en selvstændig forbindelse med formlen SiC. Det er hårdere, tættere og mere varmebestandigt, og dets elektroniske egenskaber adskiller sig fra egenskaberne ved elementært silicium.
Hvad betyder hakket i waferen?
Et hak dannes under fremstillingen for at gøre det lettere at bestemme waferens orientering og håndtere den. Det hjælper automatiseret udstyr med at orientere waferen og markerer en referencekrystallografisk retning.
Kan man bestemme filmens nøjagtige tykkelse ud fra oxidets farve?
Under kontrolleret belysning kan farven give en omtrentlig indikation af tykkelsen, men en præcis bestemmelse kræver kalibreret optisk måling, da farven også afhænger af vinklen, underlaget, brydningsindekset og eventuelle ekstra lag.
Hvad bør angives på prøvens etiket?
Angiv det kemiske grundstof, renhed eller kvalitetsklasse, monokrystallinsk eller polykrystallinsk form, dyrkningsmetode, waferens orientering, dopstof og resistivitet, hvis de kendes, belægning, producent, dato, tidligere anvendelse og tilstand.
Afsluttende betragtninger
Grundlaget for siliciums struktur er en enkel lokal regel: hvert atom danner fire retningsbestemte bindinger. Når denne regel gentages gennem hele krystallen, dannes et gitter, der er stift nok til at være grundlag for præcisionsanordninger, men samtidig skrøbeligt nok til at revne fra en beskadiget kant. De samme bindinger giver et indirekte båndgab, moderat varmeledningsevne, et højt brydningsindeks i det infrarøde spektralområde og en overflade, hvorpå et oxidlag kan dannes med meget præcis kontrol.
I geologiske omgivelser findes silicium sjældent frit. Det bindes til ilt og danner tetraedre, som forbindes til særskilte grupper, ringe, kæder, lag og netværk. Således indgår silicium i kappens mineraler, vulkansk glas, granit, ler, jord, sand, kiselalgers skaller, beton, porcelæn og vinduesglas.
Industriel forarbejdning vender denne naturlige tilbøjelighed til at oxidere i den modsatte retning. Kvarts reduceres, silicium renses ved hjælp af flygtige forbindelser, udfældes som polykrystallinsk silicium, en krystal med kontrollerede egenskaber dyrkes, skæres i skiver, og mønstre dannes i dem ved gentagne cyklusser med tilførsel og fjernelse af materiale. Meget små mængder dopstoffer ændrer de elektriske egenskaber; nanometertynde film ændrer farve og grænseflader; mikroskopiske defekter afgør, om en anordning fungerer eller svigter.
En fuld forståelse af silicium omfatter derfor mineralogi, krystallografi, termodynamik, faststoffysik, optik, metallurgi, kemi, fremstilling, elektronik, energi, konservering og teknologihistorie. Det særlige ved silicium er hverken dets naturlige elektriske ledningsevne eller dets imponerende udseende. Det særlige er, at et almindeligt grundstof, der danner bjergarter, kan renses, og dets struktur og mønstre kan formes, indtil selve materialet bliver programmerbart.