Silicis
Linas JuozėnasΚοινοποίηση
Πυρίτιο
Silicis yra cheminis elementas, pažymėtas simboliu Si ir turintis atominį skaičių 14. Gamtoje jis beveik niekada neaptinkamas grynas, nes lengvai jungiasi su deguonimi ir kitais elementais. Todėl silicį dažniausiai sutinkame kvarce, lauko špatuose, žėručiuose, molio mineraluose ir daugybėje kitų silikatų. Išgrynintas iki nepaprastai aukšto lygio ir išaugintas į vientisą kristalą, jis tampa valdomu puslaidininkiu, iš kurio gaminamos mikroschemos, jutikliai ir saulės elementai.
Keturių ryšių elementas, galintis tapti uolienos karkasu arba tiksliai valdomu elektronų keliu
Silicio atomas turi keturis valentinius elektronus. Tai leidžia jam sudaryti keturis stiprius kovalentinius ryšius su kaimyniniais atomais.
Gryname kristaliniame silicyje kiekvienas atomas susijungia su keturiais kitais silicio atomais ir sukuria trimatę deimantinio tipo gardelę.
Gamtoje silicis dažniau jungiasi su deguonimi. Silicio ir deguonies tetraedrai gali būti pavieniai, susijungę į grandines, žiedus, lakštus arba vientisus karkasus.
Silicio esmė: tie patys keturi galimi ryšiai leidžia jam kurti ir milžinišką silikatų įvairovę Žemės plutoje, ir tvarkingą puslaidininkinį kristalą elektronikoje.
Keturi valentiniai elektronai
Jie leidžia siliciui sudaryti tvirtą keturių ryšių tinklą.
Metaloido padėtis
Silicis turi ir metalams, ir nemetalams būdingų savybių, todėl užima tarpinę vietą.
Kontroliuojamas laidumas
Grynas silicis laidus ribotai, tačiau jo elektrinį elgesį galima labai tiksliai keisti nedidelėmis priemaišomis.
Kietas, trapus ir pilkai blizgantis kristalas, kurio laidumas priklauso nuo temperatūros, šviesos ir priemaišų
| Cheminis simbolis | Si |
|---|---|
| Atominis skaičius | 14 |
| Elemento klasė | Metaloidas |
| Kristalinė sandara | Deimantinė kubinė gardelė |
| Kietumas | Apytikriai apie 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Apytikriai 2,33 g/cm³ |
| Lydymosi temperatūra | Apie 1414 °C |
| Virimo temperatūra | Apie 3265 °C |
| Blizgesys | Metalinis arba pusiau metalinis |
| Spalva | Tamsiai pilka, plieno pilka arba melsvai pilka |
| Lūžis | Kriaukliškas; medžiaga trapi |
| Elektroninė savybė | Puslaidininkis, kurio draustinės juostos plotis kambario temperatūroje yra apie 1,12 eV |
| Laidumo pokytis | Didėja kylant temperatūrai, veikiant šviesai arba įterpus tinkamas priemaišas |
Vienas svarbiausių planetos statybinių elementų, tačiau beveik visada pasislėpęs junginiuose
Kvarcas
Silicio dioksidas SiO₂ sudaro kvarcą, ametistą, citriną, kalnų krištolą ir daugelį kitų kvarco atmainų.
Lauko špatai
Silicio, aliuminio, deguonies ir metalų karkasai sudaro vieną gausiausių Žemės plutos mineralų grupių.
Žėručiai
Silikatiniai lakštai leidžia šiems mineralams lengvai skilti plonomis plokštelėmis.
Molio mineralai
Dūlėjant silikatams susidaro itin smulkios lakštinės dalelės, svarbios dirvožemiui ir nuosėdoms.
Piroksenai ir amfibolai
Jų silikatinės grandinės yra svarbios magminėms ir metamorfinėms uolienoms.
Gamtinis silicis
Laisvas elementinis silicis gamtoje labai retas, nes lengvai reaguoja ir tampa oksidais arba silikatais.
Didžiąją Žemės plutos mineralinės architektūros dalį galima suprasti stebint, kaip silicio ir deguonies tetraedrai jungiasi į vis sudėtingesnes formas.
Nuo silicio dioksido uolienoje iki itin grynos medžiagos, kurioje kontroliuojama beveik kiekviena priemaiša
Parenkamas silicio dioksidas
Gamybai naudojamas kvarcas arba labai švarus kvarcinis smėlis.
Silicio dioksidas redukuojamas
Aukštoje temperatūroje elektrinėje krosnyje deguonis pašalinamas naudojant anglies turinčią medžiagą.
Gaunamas metalurginis silicis
Susidaro pilka elementinio silicio masė, dar turinti per daug priemaišų jautriai elektronikai.
Silicis paverčiamas lakiu junginiu
Cheminis tarpinis junginys gali būti distiliuojamas ir atskiriamas nuo daugelio teršalų.
Itin grynas silicis nusodinamas
Iš išgryninto dujinio junginio gaunama labai aukšto grynumo polikristalinė medžiaga.
Medžiaga ruošiama kristalo auginimui
Silicis išlydomas kontroliuojamoje aplinkoje ir naudojamas vienkristaliams arba polikristaliniams ruošiniams formuoti.
Kvarcas gamtoje gali būti beveik skaidrus, tačiau elektronikai reikia ne vien gražios žaliavos. Reikia tokio grynumo, kad net labai menkas nepageidaujamo elemento kiekis nebesugadintų elektrinio elgesio.
Milžiniškas kristalas auginamas taip, kad milijardai atomų tęstų vieną bendrą gardelės kryptį
Nuo lydalo iki plokštelės
Vienkristalis cilindras supjaustomas į labai plonas apskritas plokšteles, vadinamas silicio plokštelėmis. Ant jų vėliau kuriami tranzistoriai, laidininkų takai ir kitos elektroninės struktūros.
Kristalo užuomazga
Mažas tiksliai orientuotas silicio kristalas paliečiamas prie išlydytos medžiagos paviršiaus.
Lėtas traukimas
Užuomazga sukama ir keliama, o prie jos prisijungiantys atomai tęsia tą pačią kristalinę gardelę.
Vienkristalis cilindras
Tinkamai valdant temperatūrą ir traukimo greitį išauga ilgas, vientisos orientacijos kristalas.
Plokštelių pjovimas
Cilindras supjaustomas plonais diskais, kurių paviršius išlyginamas ir poliruojamas.
Κρυσταλλογραφική διεύθυνση
Ο προσανατολισμός της πλακέτας επιλέγεται με βάση τις κατασκευαστικές και ηλεκτρικές ιδιότητες της μελλοντικής συσκευής.
Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο
Όταν ένα υλικό αποτελείται από πολλούς κρυσταλλικούς κόκκους με διαφορετικό προσανατολισμό, ονομάζεται πολυκρυσταλλικό.
Η αγωγιμότητά του ελέγχεται επαρκώς, η πρώτη ύλη είναι άφθονη και στην επιφάνειά του μπορεί να δημιουργηθεί ένα σταθερό μονωτικό στρώμα οξειδίου
Ημιαγωγική συμπεριφορά
Το πυρίτιο δεν είναι ούτε καλός μεταλλικός αγωγός ούτε πλήρης μονωτής, επομένως η κίνηση των ηλεκτρονίων του μπορεί να ελεγχθεί.
Πυρίτιο τύπου n
Οι προσμίξεις που έχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο σθένους αυξάνουν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Πυρίτιο τύπου p
Οι προσμίξεις που έχουν ένα ηλεκτρόνιο σθένους λιγότερο δημιουργούν θέσεις έλλειψης ηλεκτρονίων, οι οποίες ονομάζονται οπές.
Τρανζίστορ
Το ηλεκτρικό πεδίο ελέγχει αν το ρεύμα διαρρέει ένα μικροσκοπικό κανάλι πυριτίου.
Ηλιακά στοιχεία
Το φως δημιουργεί στο πυρίτιο κινούμενους φορείς φορτίου, τους οποίους το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο κατευθύνει προς ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Στρώμα διοξειδίου του πυριτίου
Στην επιφάνεια του πυριτίου μπορεί να αναπτυχθεί ένα ανθεκτικό μονωτικό στρώμα SiO₂, πολύ σημαντικό για την κατασκευή μικροκυκλωμάτων.
Το πυρίτιο έγινε θεμέλιο της τεχνολογίας όχι επειδή είναι τέλειο από μία άποψη, αλλά επειδή οι ηλεκτρικές, χημικές, θερμικές και κατασκευαστικές του ιδιότητες λειτουργούν εξαιρετικά καλά σε συνδυασμό.
Τρεις λέξεις με παρόμοιο ήχο σημαίνουν εντελώς διαφορετικά υλικά
Πυρίτιο
Χημικό στοιχείο Si. Το καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο είναι σκούρο γκρι μεταλλοειδές και ημιαγωγός.
Διοξείδιο του πυριτίου
Ένωση SiO₂. Αποτελεί τον χαλαζία και είναι σημαντικό συστατικό πολλών άμμων, γυαλιών και πετρωμάτων.
Πυριτικά
Τεράστια ομάδα ορυκτών, στην οποία μονάδες πυριτίου και οξυγόνου συνδέονται με αλουμίνιο, μαγνήσιο, σίδηρο, ασβέστιο και άλλα στοιχεία.
Σιλικόνη
Οικογένεια συνθετικών πολυμερών, στην κύρια αλυσίδα των οποίων εναλλάσσονται άτομα πυριτίου και οξυγόνου.
Γυαλί
Συνήθως άμορφο υλικό από διοξείδιο του πυριτίου και άλλα οξείδια, χωρίς μακρινή κρυσταλλική τάξη.
Καρβίδιο του πυριτίου
Ένωση SiC, αποτελούμενη από πυρίτιο και άνθρακα, με μεγάλη σκληρότητα και αντοχή στη θερμότητα.
Το πυρίτιο δεν είναι το ίδιο με τη σιλικόνη. Το ένα είναι στοιχείο και ημιαγωγός, ενώ η άλλη είναι πολυμερές υλικό με βάση το πυρίτιο, το οξυγόνο και οργανικές ομάδες.
Το στοιχείο απομονώθηκε από υλικά που οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν επί χιλιάδες χρόνια, χωρίς όμως να γνωρίζουν για πολύ καιρό την πραγματική χημική τους φύση
Η ονομασία του πυριτίου συνδέεται με τη λατινική λέξη silex, που σήμαινε πυρόλιθος ή σκληρός λίθος πλούσιος σε πυρίτιο.
Από την αρχαιότητα οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν πυρόλιθο, χαλαζιακή άμμο, άργιλο, κεραμικά και γυαλί, όμως το στοιχειακό πυρίτιο ήταν χημικά δεσμευμένο σε αυτά τα υλικά.
Στις αρχές του 19ου αιώνα έγινε κατανοητό ότι το διοξείδιο του πυριτίου περιείχε ένα έως τότε μη απομονωμένο στοιχείο. Το 1824 ο Jöns Jacob Berzelius παρασκεύασε αρκετά καθαρό άμορφο πυρίτιο.
Vėliau kristalinio silicio savybės tapo vis svarbesnės elektrotechnikai, o XX amžiuje jis tapo pagrindine tranzistorių ir integrinių grandynų medžiaga.
Silicio istorija turi neįprastą lanką: iš pradžių jis slėpėsi akmenyje, vėliau buvo išskirtas laboratorijoje, o galiausiai pats tapo medžiaga, kurioje žmonija pradėjo saugoti ir apdoroti informaciją.
Kristalas, išmokęs skaičiuoti
Kalno uolienoje gyveno silicis. Jis laikė kvarco gardelę, lauko špato karkasą ir žėručio lakštus, tačiau niekas jo nematė atskirai.
Vieną dieną žmonės jį išlaisvino iš deguonies ryšių, išgrynino ir išlydė.
„Kuo turėčiau tapti?“ – paklausė silicis.
„Pirmiausia išmok visus savo atomus išrikiuoti viena kryptimi“, – atsakė kristalo užuomazga.
Silicis augo lėtai, kol tapo vientisu kristalu. Tada į jo gardelę buvo įleista vos keli svetimi atomai.
Vienoje vietoje atsirado papildomas elektronas, kitoje – tuščia vieta jam judėti. Tarp jų pradėjo tekėti valdomas signalas.
Taip elementas, milijardus metų statęs akmenis, išmoko skaičiuoti, prisiminti ir perduoti žmonių sukurtas mintis.
Tai nėra sena legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikros silicio gardelės, priemaišinio laidumo ir mikroschemų veikimo.
Struktūra, tikslus ryšys ir gebėjimas iš daugybės mažų vienetų sukurti veikiančią sistemą
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje silicis gali būti siejamas su logika, mokymusi, informacijos tvarkymu, sistemų kūrimu ir sąmoningu ryšių formavimu. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai patvirtintas poveikis žmogui.
Keturi ryšiai
Vienas elementas gali tapti stabilus ne atsiskyręs, o tiksliai susijungęs su aplinka.
Kristalinė tvarka
Mažos taisyklės, nuosekliai kartojamos, gali sukurti didelę ir patikimą struktūrą.
Priemaišų svarba
Nedidelis naujas elementas kartais ne suardo sistemą, o suteikia jai visiškai naują funkciją.
Puslaidininkinė būsena
Ne viskas turi būti visiškai atvira arba visiškai uždara – vertė gali slypėti valdomame perėjime.
Signalas
Informacija tampa prasminga tik tada, kai turi kelią, kryptį ir aiškią būseną.
Nuo akmens iki minties
Ta pati medžiaga gali atlikti visiškai skirtingą vaidmenį, kai pakeičiama jos grynumo, struktūros ir organizavimo kokybė.
Aiškios sistemos ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta darbui ar projektui, kuriame daug atskirų detalių, tačiau dar nėra aiškios veikiančios struktūros.
Ko reikės
- vieno silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sudėtingos užduoties arba projekto.
Keturi pagrindiniai ryšiai
Užrašykite keturias svarbiausias projekto dalis, be kurių sistema negalėtų veikti.
Gardelės taisyklė
Prie kiekvienos dalies įrašykite vieną aiškią taisyklę, pagal kurią ji turi veikti.
Signalo kelias
Nubrėžkite, kaip informacija, sprendimas ar medžiaga juda iš vienos dalies į kitą.
Naudinga priemaiša
Įvardykite vieną mažą pakeitimą, kuris galėtų suteikti sistemai naują funkciją arba pašalinti didžiausią trukdį.
Užkalbėjimas
Padėkite silicį lapo centre ir tris kartus ištarkite:
Ryšius matau, tvarką kuriu,
mažais vienetais sistemą jungiu.
Užbaigimas
Pasakykite: „Man nereikia visko kurti vienu metu. Pakanka tiksliai sujungti kitą svarbiausią dalį.“
Dažniausiai kylantys klausimai apie silicį
Kas yra silicis?
Ar silicis yra metalas?
Ar silicis yra mineralas?
Kokia silicio kristalinė struktūra?
Koks silicio kietumas?
Kodėl silicis yra puslaidininkis?
Kas yra n tipo ir p tipo silicis?
Ar silicis ir silicio dioksidas yra tas pats?
Ar silicis ir silikonas yra tas pats?
Ką silicis simbolizuoja šiuolaikinėje vaizduotėje?
Silicis parodo, kaip ta pati atominė savybė gali statyti kalnus, skaidrų kvarcą, saulės elementus ir mikroskopinius logikos vartus
Gamtoje silicis beveik visada gyvena ryšiuose su deguonimi ir kitais elementais, sudarydamas milžinišką silikatų mineralų įvairovę.
Pramonėje jis išlaisvinamas iš silicio dioksido, išgryninamas ir išauginamas į tvarkingus vienkristalius.
Įterpus labai mažą tinkamų priemaišų kiekį, gardelėje atsiranda papildomų elektronų arba skylių, o elektrinis signalas tampa valdomas.
Chemijoje silicis yra keturioliktasis elementas. Simbolinėje kalboje jis gali priminti, kad sudėtingos sistemos nebūtinai gimsta iš vieno didelio sprendimo – jos atsiranda tada, kai daugybė mažų ryšių išdėstomi taip tiksliai, kad pradeda veikti kaip viena mintis.