Polikristalinis silicis

Polükristalliline räni

Linas Juozenas
Elementinis silicis, sudarytas ne iš vieno vientiso kristalo, o iš daugybės skirtingomis kryptimis orientuotų kristalinių grūdelių

Polikristalinis silicis

Polikristalinis silicis – tai kristalinio silicio medžiaga, sudaryta iš daugybės atskirų silicio kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkinga deimantine gardele, tačiau gretimų grūdelių gardelės pasuktos skirtingais kampais. Jų susitikimo vietose susidaro grūdelių ribos. Būtent ši daugiakristalė struktūra išskiria polikristalinį silicį iš monokristalinio silicio ir suteikia jam būdingą mozaikinį paviršių. Ši medžiaga tapo vienu svarbiausių tarpinių etapų tarp kvarco žaliavos, saulės elementų, mikroelektronikos ir itin grynų silicio kristalų.

Cheminis elementas Si Daugybė kristalinių grūdelių Teemantkuubiline võre Puslaidininkinė medžiaga Bendradarbiavimo, struktūros ir daugelio krypčių vienybės aura
Kas tai Elementinis silicis, sudarytas iš daugybės tarpusavyje suaugusių kristalinių grūdelių
Cheminė tapatybė Si – tas pats elementas kaip monokristaliniame silicyje, tačiau kitokia kristalų organizacija
Svarbiausias bruožas Grūdelių ribos, kuriose susitinka skirtingomis kryptimis orientuotos silicio gardelės
Simbolinė aura Daugybė savarankiškų krypčių, kurios neprivalo būti vienodos, kad kartu sudarytų veikiančią visumą
Kas yra polikristalinis silicis

Chemiškai tai tas pats silicis, tačiau vietoje vienos nenutrūkstančios kristalinės orientacijos jame egzistuoja tūkstančiai ar milijonai mažesnių kristalinių sričių

Grynas kristalinis silicis sudarytas iš silicio atomų, sujungtų į labai tvarkingą trimatį tinklą. Viename kristaliniame grūdelyje ši tvarka tęsiasi viena orientacija.

Polikristalinėje medžiagoje tokių grūdelių yra daug. Vienas gali būti pasuktas keliais laipsniais, kitas – visiškai kita kryptimi. Kol esame vieno grūdelio viduje, gardelė išlieka tvarkinga, tačiau priartėjus prie jo krašto atomų eilės nebegali tęstis tobulai.

Susitikimo vieta vadinama grūdelio riba. Joje dalis atomų turi kiek kitokią kaimynystę, todėl čia gali koncentruotis kristaliniai defektai, priemaišos ir elektroninės būsenos.

Šis skirtumas iš pirmo žvilgsnio atrodo nedidelis, tačiau elektronikai jis svarbus: elektronai ir skylės per tobulą kristalinę gardelę juda kitaip nei per daugybę jos ribų.

Polikristalinio silicio esmė: kiekvienas atskiras grūdelis yra kristalas, tačiau visa medžiaga nėra vienas kristalas. Ji yra daugelio kristalų bendrija.

Kristalinis grūdelis

Nedidelė silicio sritis, kurioje atomai išlaiko vieną bendrą kristalografinę orientaciją.

Terade piir

Sritis, kurioje susitinka dvi skirtingai pasuktos kristalinės gardelės.

Polükristalliline tervik

Paljud terad kasvavad mehaaniliselt kokku ja moodustavad ühtse ränitüki.

Füüsikalised ja elektroonilised omadused

Hall, läikiv ja habras pooljuhtmaterjal, mille elektrilist käitumist mõjutavad tugevalt puhtus, lisandid ja kristalliterade suurus

Keemiline sümbol Si
Materjali tüüp Polükristalliline elementaarne pooljuht
Aatomnumber 14
Kristallstruktuur teras Teemantne kuubiline struktuur
Kõvadus Ligikaudu 6,5–7 Mohsi skaalal
Tihedus Umbes 2,33 g/cm³
Sulamistemperatuur Umbes 1414 °C
Värvus Tumehall, hallikas-hõbedane, sinakashall või mustjas
Läige Metallilise või poolmetallilise läikega
Mehaanilised omadused Kõva, kuid habras
Elektrooniline tüüp Pooljuht
Keelutsooni laius Umbes 1,12 eV toatemperatuuril
Elektrijuhtivus Sõltub tugevalt temperatuurist, puhtusest ja kontrollitud legeerimisest
Peamine struktuuriline erinevus Palju kristallilisi orientatsioone ja neid eraldavad terapiirid
Räni aatomvõre

Iga räni aatom seostub nelja naabriga, luues teemandi struktuuriga sarnase tetraeedrilise võrgustiku

Kolmes suunas korduv korrastus

Kristallilises ränis on igal aatomil neli lähimat räninaabrit. Kovalentsed sidemed moodustavad ruumilise tetraeedrite võrgustiku, mis määrab nii kristalli geomeetria kui ka selle pooljuhiomadused.

Neli sidet

Igal räni aatomil on neli valentselektroni ning kristallis moodustab ta neli tugevat kovalentset sidet.

Tetraeedriline geomeetria

Naaberaatomid paiknevad tetraeedri suundades, mistõttu võre ei ole lihtne kuubiline võrgustik.

Teemantstruktuur

Räni võre tüüp on sama mis teemandil, kuigi räni aatomid on suuremad ja sidemed nõrgemad kui süsinikkristallis.

Elektronide olekud

Aatomite perioodiline paiknemine loob valentss- ja juhtivusenergia ribad.

Pooljuhi energiavahe

Valents- ja juhtivusriba vahele jääb energiavahe, mistõttu räni ei ole ei hea metall ega tavaline isolaator.

Temperatuuri mõju

Kuumus võib anda elektronidele piisavalt energiat, et liikuda juhtivusribasse ja suurendada elektrijuhtivust.

Polükristallilises ränis kordub sama teemantvõre igas teras. Erineb mitte aatomite kohalik korrastus, vaid kogu tera orientatsioon ruumis.

Kristallilised terad ja nende piirid

Polükristallilise räni pinna mosaiikse ilme loovad eraldi kristallilised piirkonnad, mis peegeldavad valgust erinevalt oma erineva orientatsiooni tõttu

Üks pind, palju kristallograafilisi nurki

Iga tera pinna aatomid on valguse, keemilise söövitamise ja mehaanilise töötlemise suhtes veidi erinevalt orienteeritud. Seetõttu võivad kõrvuti asuvad alad paista heledamad, tumedamad või sinakamad.

Teralise siseosa

Aatomiline korrastus on siin üsna korrapärane ja sarnaneb monokristalli struktuuriga.

Riba

Susitikus dviem orientacijoms ne visi atomų ryšiai gali tęstis idealioje periodinėje sekoje.

Kristaliniai defektai

Ribose gali būti iškraipytų ryšių, dislokacijų ir kitų gardelės netobulumų.

Priemaišų kaupimasis

Kai kurie svetimi atomai energetiškai palankiau kaupiasi grūdelių ribose nei tobuloje gardelėje.

Krūvininkų rekombinacija

Elektronai ir skylės ribose gali lengviau susijungti, todėl sumažėja jų naudingo gyvavimo trukmė.

Grūdelių dydis

Kuo grūdeliai didesni, tuo mažiau ribų tenka tam pačiam medžiagos tūriui.

Grūdelių ribos nėra tiesiog matomos linijos. Jos yra tikros kristalinės sandūros, galinčios keisti elektros krūvio judėjimą, mechaninį atsaką ir priemaišų pasiskirstymą.

Kaip gaminamas polisilicis

Kelias nuo silicio dioksido iki elektronikai tinkamos medžiagos reikalauja ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas svetimas priemaišas

1

Silicio dioksido žaliava

Pramoninis kelias dažniausiai prasideda nuo kvarco ar kitos labai silicio dioksido turtingos medžiagos.

2

Redukcija anglimi

Aukštoje temperatūroje deguonis pašalinamas, gaunant metalurginės kokybės elementinį silicį.

3

Silicis paverčiamas lakiais junginiais

Kad būtų galima itin tiksliai jį išgryninti, silicis chemiškai paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.

4

Junginiai išgryninami

Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūros ir cheminis elgesys skiriasi nuo norimo silicio junginio.

5

Nusodinamas grynas silicis

Aukštoje temperatūroje silicio turintis dujinis junginys suskaidomas ir elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.

6

Gaunamas polisilicis

Susidaro labai gryna polikristalinė silicio medžiaga, kuri vėliau gali būti lydoma ir naudojama kitoms kristalinėms formoms auginti.

Terminas „polisilicis“ pramonėje dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį – žaliavą, iš kurios vėliau auginami monokristalai arba liejami daugiakristaliai ruošiniai.

Kaip susidaro daugiakristalė struktūra

Išlydytam siliciui vėstant daugelyje vietų vienu metu atsiranda kristalų branduoliai, kurie auga tol, kol susitinka vienas su kitu

1

Silicis išlydomas

Virš lydymosi temperatūros ilgalaikė kristalinė tvarka išnyksta ir atomai juda skystame lydale.

2

Temperatūra pradeda kristi

Vėstant atsiranda sąlygos atomams vėl jungtis į kristalinę deimantinę gardelę.

3

Susidaro daug branduolių

Skirtingose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.

4

Kristalai plečiasi

Kiekvienas branduolys auga savo kristalografine orientacija, prijungdamas vis daugiau silicio atomų.

5

Grūdeliai susitinka

Augančių kristalų frontai pasiekia vienas kitą ir nebegali tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.

6

Susidaro grūdelių ribos

Visa medžiaga sukietėja į vientisą bloką, tačiau jame išlieka daugybė atskirų kristalinių orientacijų.

Kui kogu sulam sunnitaks kasvama ühest õigesti orienteeritud kristallituumast ja teisi tuumi ei tekiks, oleks võimalik saada monokristall. Polükristall tekib siis, kui korraga kasvab palju kristallikeskmeid.

Päikesepatareid

Polükristalliline räni aitas muuta fotogalvaanilise tehnoloogia massiliseks energiatootmissüsteemiks

Valgusest elektriahelasse

Päikese footon võib anda energia räni elektronile ja tõsta selle juhtivusribasse. Õigesti loodud elektrivälja piirkond eraldab elektroni allesjäänud august ja suunab laengu välisahelasse.

Footonite neeldumine

Piisava energiaga valgus võib tekitada liikuva elektroni ja positiivse laengukandja – augu.

p- ja n-tüüpi räni

Erinevaid lisandeid kontrollitult sisse viies luuakse piirkonnad, mille laengukandjate kontsentratsioon on erinev.

p–n-siire

Kahe piirkonna kokkupuutel tekkiv elektriväli aitab valguse tekitatud laengukandjaid eraldada.

Terapiiride kaod

Osa elektrone ja auke võib piiridel rekombineeruda, jõudmata veel elektroodideni.

Suured terad

Suuremad kristalliterad vähendavad piiride hulka ja aitavad tavaliselt säilitada paremaid elektroonilisi omadusi.

Sinine pind

Paljudele klassikalistele polükristallilistele päikesepatareidele iseloomulikku sinist värvi tugevdavad pinna peegeldusvastased kihid.

Polükristalliline päikesepatarei ei ole monokristallilisest „vähem kristalliline“. Selle sees on rohkesti tõelisi kristalle – lihtsalt nende orientatsioonid on erinevad ja nende vahel on rohkem piire.

Elektroonikamaailm

Õhukesed polükristallilise räni kihid võimaldavad luua transistore seal, kus massiivse monokristalli kasutamine pole vajalik

Õhukesekiletransistorid

Polükristallilist räni saab kasutada õhukesekiletransistorides ekraanides ja muudes elektroonilistes struktuurides.

Mikrokiipide paisud

Ajalooliselt kasutati tugevalt legeeritud polüräni laialdaselt MOS-transistoride paisuelektroodides.

Takistid

Terade, legeerimise ja kihi geomeetria kontrollitud kombinatsioon võimaldab moodustada elektritakisteid.

Mikromehaanilised süsteemid

Polükristallilise räni kihid võivad moodustada mikroskoopilisi talasid, membraane ja liikuvaid struktuure.

Sensorid

Mehaanilised ja elektrilised omadused võimaldavad kasutada polüräni rõhu, liikumise ja muude parameetrite mikrosensorites.

Kontrollitud legeerimine

Boori, fosfori või muude sobivate lisandite kogus võimaldab muuta vabade laengukandjate kontsentratsiooni paljude suurusjärkude võrra.

Elektroonikas tähendab sõna „polüräni“ sageli mitte suurt läikivat ränitükki, vaid väga õhukest polükristallilise räni kihti, mis on integreeritud keerukasse mikrokiibi struktuuri.

Polükristalliline ja monokristalliline räni

Mõlema materjali aatomid seonduvad samamoodi, kuid ühes jätkub kristallvõre peaaegu ilma suunamuutuseta, teises on see jagunenud paljudeks kristallilisteks piirkondadeks

Monokristall

Peaaegu kogu toorikul on üks ühine kristallograafiline orientatsioon.

Polükristall

Toorik koosneb paljudest eraldi kristallilistest orientatsioonidest.

Terapiirid

Monokristallis neid peaaegu ei ole, polükristallis moodustavad need kogu sisemise võrgustiku.

Elektronide liikumine

Monokristalli täiuslikum kord võimaldab laengukandjatel tavaliselt liikuda vähemate struktuursete takistustega.

Tootmisviis

Monokristalli puhul tuleb juhtida ühe kristalli kasvu, polükristalliline materjal võib aga tahkuda paljudest tuumadest.

Välimus

Polükristallilisel pinnal võib sageli näha üksikute terakeste mosaiikset mustrit.

Monokristall ja polükristall ei ole kaks erinevat keemilist ainet. Mõlemad võivad olla peaaegu puhas elementaarne räni – erinev on nende kristallkorra ulatus.

Räni tehnoloogiline ajalugu

Element, mille ühendid moodustavad suurema osa maailma kivimitest, sai ka üheks digitaalse tsivilisatsiooni tähtsaimaks aluseks

Looduses leidub räni peaaegu mitte kunagi suurte puhta elemendi kristallidena, sest see ühineb väga kergesti hapnikuga. Kvarts, päevakivid ja arvukad silikaadid säilitavad seda oksüdeerunud olekus.

Räni tööstuslik ajalugu algas võimest eraldada räni hapnikust ja teistest elementidest ning hiljem seda üha täiustatumalt puhastada.

Elektroonikarevolutsioon vajas mitte lihtsalt räni, vaid ülipuhast ja kontrollitud kristallstruktuuriga räni. Isegi väga väikesed soovimatute elementide kogused võivad pooljuhi elektrilisi omadusi märkimisväärselt muuta.

Polüräni tootmisest sai ühenduslüli toorainekeemia ja kristallitehnika vahel. Puhastatud polüränist saab sulatada päikeseelementide toorikuid või kasvatada mikroelektroonika jaoks suuri monokristalle.

Nii sai ühest maakoore kõige levinumast elemendist materjal, mille puhul ei ole oluline mitte küllus, vaid erakordselt täpselt kontrollitud struktuur ja puhtus.

Räni tehnoloogiline väärtus tekkis siis, kui inimesed õppisid seda mitte ainult eraldama, vaid ka kontrollima peaaegu kõiki selle kristalli omadusi – lisanditest aatomite orientatsioonini.

Kaasaegne sümboolne lugu

Paljudest kristallidest linn

Algupärane loominguline lugu

Vedelas räni tekkisid peaaegu samal ajal mitu väikest kristalli.

Igaüks hakkas kasvama oma suunas.

„Kui me kõik ei ole ühtemoodi pöördunud, ei saa meist kunagi üht keha,“ ütles esimene kristall.

Kuid temperatuur langes edasi ja kristallid laienesid.

Lõpuks nende servad kohtusid.

Võred ei langenud ideaalselt kokku. Nende vahele tekkis piir.

„Näed?“ ütles esimene. „Me oleme endiselt erinevad.“

„Jah,“ vastas teine. „Aga nüüd ei ole meie piir enam vahe. Sellest sai koht, kus me ühinesime.“

Kui kogu sulam tahkus, ei olnud olemas üht täiuslikku kristalli. Neid oli miljoneid – ja kõik koos said üheks toimivaks materjaliks.

See ei ole vana legend. See on loominguline lugu, mis on inspireeritud polükristallilise räni terade tegelikust kasvust.

Aura ja tänapäevane sümboolika

Paljude suundade ühtsus, võime säilitada omapärane struktuur ning luua samal ajal suurem süsteem, mis toimib ainult tänu kõigile oma osadele

Tänapäevases sümboolses keeles võib polükristallilist räni seostada koostöö, keerukate süsteemide loomise, erinevate võimete lõimimise ja arusaamaga, et ühtsus ei tähenda tingimata ühesugusust. See on loominguline tõlgendus, mitte teaduslikult tõestatud mõju inimesele.

Eraldi tera

Igal inimese eluosal võib olla oma suund ja kuuluda siiski suuremasse tervikusse.

Terade piir

Kahe inimese või idee erinevus võib muutuda mitte ainult konfliktiks, vaid ka nende tõeliseks ühinemiskohaks.

Kristalliseerumine

Kord võib tekkida korraga paljudes kohtades ja hiljem ühineda üheks süsteemiks.

Pooljuht

Võime juhtida, millal energia voolab ja millal peatub, võib sümboliseerida teadlikke piire ja sihipärast tegutsemist.

Päikeseelement

Väljast saadud energiat ei saa mitte ainult neelata, vaid ka kasulikuks tööks muuta.

Mosaiikne tervik

Keerukas süsteem ei pea oma erinevaid osi peitma – mõnikord loovad need just kõige huvitavama struktuuri.

Ühise struktuuri rituaal

See kuiv sümboolne praktika on mõeldud olukorraks, kus teil on mitu erinevat ülesannet, oskust või inimest ning soovite mõista, kuidas need üheks toimivaks süsteemiks ühendada, sundimata kõiki ühesuguseks muutuma.

Mida vajate

  • ühte polükristallilise räni näidist;
  • paberilehte;
  • pastakat;
  • ühe süsteemi või projekti, mida soovite paremini korraldada.

Terad

Joonistage lehele mitu eraldi ala ning kirjutage igasse neist üks projekti osa, inimene, oskus või vastutus.

Suunad

Märkige iga osa juurde, mida see kõige paremini teeb ja millist suunda ei tohiks sellelt sunniviisiliselt muuta.

Piirid

Kirjutage kõrvuti asetsevate piirkondade vahele, milline teave, millised ressursid või otsused peavad ühest teise liikuma.

Defektikohad

Märkige üks ühenduskoht, kus praegu kaob kõige rohkem aega, energiat või selgust.

Tugevam ühendus

Valige üks väike muudatus, mis parandaks just seda piiri: selgem reegel, parem teabeedastus või lihtsam protsess.

Loits

Asetage polükristalliline räni skeemi keskele ja öelge kolm korda:

Suuna säilitan, piirid ühendan,
loon paljudest osadest toimiva terviku.

Lõpetamine

Öelge: „Ühtsus ei nõua ühesugusust. Iga osa võib säilitada oma suuna ning mina saan tugevdada kohti, kus need kohtuvad.“

Küsimused ja vastused

Korduma kippuvad küsimused polükristallilise räni kohta

Mis on polükristalliline räni?
See on elementaarne kristalliline räni, mis koosneb paljudest eri suundades orienteeritud kristalliteradest.
Mis on selle keemiline valem?
See on elementaarne räni, seega on selle keemiline sümbol Si.
Mille poolest erineb polükristalliline räni monokristallilisest ränist?
Monokristallilises ränis on peaaegu kogu materjalil üks kristallograafiline orientatsioon, polükristallilises ränis on see aga jaotunud paljudeks eraldi teradeks.
Mis on tera piir?
See on piirkond, kus kohtuvad kaks erinevalt orienteeritud kristallilist ränivõret.
Kas iga polükristallilise räni tera on tõeline kristall?
Jah. Iga tera sees paiknevad aatomid korrapärases kristallvõres.
Milline on räni kõvadus?
Ligikaudu 6,5–7 Mohsi skaalal.
Milline on selle tihedus?
Umbes 2,33 g/cm³.
Miks näeb polükristalliline räni välja mosaiigina?
Eri suundades orienteeritud terad peegeldavad valgust erinevalt ja reageerivad pinnatekstuurile erinevalt.
Mis on polüräni?
Tööstuses nimetatakse nii sageli väga puhast polükristallilist räni, mida kasutatakse toorainena päikeseenergeetikas ja kristallide kasvatamisel.
Kas polükristallilist räni kasutatakse päikeseelementides?
Jah. See oli pikka aega üks peamisi kristallilise räni fotogalvaaniliste elementide materjale.
Miks on terade piirid päikeseelementide jaoks olulised?
Neis võib toimuda elektronide ja aukude täiendav rekombinatsioon, mistõttu osa valguse tekitatud laengukandjaid ei jõua elektroodideni.
Kas polüräni kasutatakse mikroelektroonikas?
Jah. Polükristallilise räni õhukesi kihte on kasutatud ja kasutatakse endiselt mitmesugustes transistoride, takistite, andurite ja mikromehaanilistes struktuurides.
Mida sümboliseerib polükristalliline räni tänapäeva kujutluses?
Paljude erinevate suundade koostööd, struktuurset ühtsust ja võimet tugevdada piire süsteemi iseseisvate osade vahel.
Paljud teemantvõrega ränikristallid, mis on ühendatud üheks pooljuhtivaks kehaks

Polükristalliline räni näitab, et toimiva struktuuri saab luua mitte erinevusi kaotades, vaid korrastades täpselt kohad, kus erinevad suunad kohtuvad

Selle ajalugu algab samast räni aatomist, mis looduses peitub kõige sagedamini kvartsis ja silikaatsetes mineraalides.

Puhastatud ja sulatatud räni hakkab jahtudes kristalliseeruma paljudes kohtades korraga.

Iga kristall kasvab omas suunas ning kokkupuutel moodustavad need terade piirid ja muutuvad üheskoos üheks tugevaks polükristalliliseks kehaks.

Tehnoloogiamaailmas ühendab see materjal keemia, kristallifüüsika, päikeseenergia ja mikroelektroonika. Sümboolses keeles võib see meenutada, et keerukas tervik ei pea tingimata liikuma ühes suunas – mõnikord tekib selle tugevus seetõttu, et paljud erinevad kristallid õpivad ühes kehas koos eksisteerima.

Elementaarne räni Si Polükristalliline struktuur Teemantkuubiline võre Kõvadus umbes 6,5–7 Tihedus umbes 2,33 g/cm³ Pooljuht Päikeseenergia ja mikroelektroonika Mitmesuunalise ühtsuse sümbol
Grįžti į tinklaraštį