Silicis
Linas JuozėnasJaga
Räni
Räni on keemiline element, mida tähistatakse sümboliga Si ja mille aatomnumber on 14. Looduses leidub seda peaaegu kunagi mitte puhtal kujul, sest see ühineb kergesti hapniku ja teiste elementidega. Seetõttu kohtame räni kõige sagedamini kvartsis, päevakivides, vilkudes, savimineraalides ja paljudes teistes silikaatides. Äärmiselt puhtaks puhastatuna ja ühtseks kristalliks kasvatatuna muutub see juhitavaks pooljuhiks, millest valmistatakse mikrokiipe, andureid ja päikeseelemente.
Nelja sidemega element, millest võib saada kivimi karkass või täpselt juhitav elektronide liikumistee
Räni aatomil on neli valentselektroni. See võimaldab tal moodustada naaberaatomitega neli tugevat kovalentset sidet.
Puhtas kristallilises ränis ühineb iga aatom nelja teise räniaatomiga ja moodustab kolmemõõtmelise teemant-tüüpi võre.
Looduses ühineb räni sagedamini hapnikuga. Räni ja hapniku tetraeedrid võivad esineda üksikult või ühineda ahelateks, rõngasteks, kihtideks või ühtseteks karkassideks.
Räni olemus: needsamad neli võimalikku sidet võimaldavad sellel moodustada nii Maa koores leiduva silikaatide tohutu mitmekesisuse kui ka elektroonikas kasutatava korrapärase pooljuhtkristalli.
Neli valentselektroni
Need võimaldavad ränil moodustada tugeva neljast sidemest koosneva võrgustiku.
Metalloidi seisund
Räni omadused on nii metallidele kui ka mittemetallidele iseloomulikud, mistõttu paikneb see nende vahel.
Kontrollitud juhtivus
Puhas räni juhib elektrit piiratud määral, kuid selle elektrilist käitumist saab väikeste lisandikogustega väga täpselt muuta.
Kõva, habras ja hallikalt läikiv kristall, mille juhtivus sõltub temperatuurist, valgusest ja lisanditest
| Keemiline sümbol | Si |
|---|---|
| Aatomnumber | 14 |
| Elemendiklass | Metalloid |
| Kristallstruktuur | Teemantkuubiline kristallvõre |
| Kõvadus | Ligikaudu 6,5–7 Mohsi skaala järgi |
| Tihedus | Ligikaudu 2,33 g/cm³ |
| Sulamistemperatuur | Umbes 1414 °C |
| Keemistemperatuur | Umbes 3265 °C |
| Läige | Metalliline või poolmetalliline |
| Värvus | Tumehall, terashall või sinakashall |
| Murdepind | Karbiline; materjal on habras |
| Elektrooniline omadus | Pooljuht, mille keelutsooni laius toatemperatuuril on umbes 1,12 eV |
| Juhtivuse muutus | 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 magmaginėms 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.
Kristallograafiline suund
Plaadi orientatsioon valitakse vastavalt kavandatava seadme tootmis- ja elektrilistele omadustele.
Polükristalliline räni
Kui materjal koosneb paljudest eri suundades paiknevatest kristalliteradest, nimetatakse seda polükristalliliseks.
Selle juhtivust saab piisavalt hästi reguleerida, toorainet leidub rohkesti ning pinnale saab luua stabiilse isoleeriva oksiidikihi
Pooljuhtivus
Räni ei ole ei hea metalliline juht ega täielik isolaator, mistõttu saab selle elektronide liikumist juhtida.
n-tüüpi räni
Lisandid, millel on üks valentselektron rohkem, suurendavad vabade elektronide arvu.
p-tüüpi räni
Lisandid, millel on üks valentselektron vähem, tekitavad elektronide puudujäägiga kohti, mida nimetatakse aukudeks.
Transistorid
Elektriväli juhib seda, kas vool läbib mikroskoopilist ränikanalit.
Päikeseelemendid
Valgus tekitab ränis liikuvaid laengukandjaid, mille sisemine elektriväli suunab elektriahelasse.
Ränidioksiidikiht
Räni pinnale saab kasvatada tugeva isoleeriva SiO₂-kihi, mis on mikroskeemide tootmisel väga oluline.
Räni sai tehnoloogia aluseks mitte seetõttu, et see oleks ühes mõttes täiuslik, vaid seetõttu, et selle elektrilised, keemilised, termilised ja tootmisomadused toimivad erakordselt hästi koos.
Kolm sarnase kõlaga sõna tähistavad täiesti erinevaid aineid
Räni
Keemiline element Si. Puhas kristalliline räni on tumehall metalloid ja pooljuht.
Ränidioksiid
Ühend SiO₂. See moodustab kvartsi ning on paljude liivade, klaaside ja kivimite oluline koostisosa.
Silikaadid
Hiiglaslik mineraalide rühm, milles räni- ja hapnikurühmad seostuvad alumiiniumi, magneesiumi, raua, kaltsiumi ja teiste elementidega.
Silikoon
Sünteetiliste polümeeride perekond, mille põhiahelas vahelduvad räni- ja hapnikuaatomid.
Klaas
Enamasti amorfne ränidioksiidi ja teiste oksiidide materjal, millel puudub kaugele ulatuv kristalliline korrastatus.
Ränikarbiid
Räni ja süsiniku ühend SiC, mida iseloomustavad suur kõvadus ja kuumakindlus.
Räni ei ole sama mis silikoon. Üks on element ja pooljuht, teine aga räni, hapniku ja orgaaniliste rühmade põhjal loodud polümeerne materjal.
Element eraldati materjalidest, mida inimesed olid tuhandeid aastaid kasutanud, kuid nende tegelikku keemilist olemust ei tuntud kaua
Räni nimi on seotud ladinakeelse sõnaga silex, mis tähendas tulekivi või kõva ränirikast kivi.
Inimesed on ammustest aegadest kasutanud tulekivi, kvartsliiva, savi, keraamikat ja klaasi, kuid elementaarne räni oli neis materjalides keemiliselt seotud.
XIX sajandi alguses mõisteti, et ränidioksiid sisaldab seni eraldamata elementi. 1824. aastal valmistas Jöns Jacob Berzelius üsna puhta amorfse räni.
Hiljem muutusid kristallilise räni omadused elektrotehnika jaoks üha olulisemaks ning 20. sajandil sai sellest transistoride ja integraallülituste peamine materjal.
Räni lool on ebatavaline kaar: alguses peitis see end kivis, hiljem eraldati see laboris ning lõpuks sai sellest endast materjal, milles inimkond hakkas teavet talletama ja töötlema.
Arvutama õppinud kristall
Mäekivimis elas räni. See hoidis kvartsi võret, päevakivi karkassi ja vilgukihti, kuid keegi ei näinud seda eraldi.
Ühel päeval vabastasid inimesed selle hapnikusidemetest, puhastasid ja sulatasid.
„Milleks peaksin saama?“ küsis räni.
„Kõigepealt õpi kõik oma aatomid ühes suunas ritta seadma,“ vastas kristalli idu.
Räni kasvas aeglaselt, kuni muutus ühtseks kristalliks. Seejärel viidi selle võresse vaid mõned võõrad aatomid.
Ühes kohas tekkis lisaelektron, teises aga tühi koht, kuhu see sai liikuda. Nende vahel hakkas voolama juhitav signaal.
Nii õppis element, mis oli miljardeid aastaid kive ehitanud, arvutama, meelde jätma ja edasi andma inimeste loodud mõtteid.
See ei ole vana legend. See on loominguline lugu, mis on inspireeritud tõelise ränivõre, lisandjuhtivuse ja mikroskeemide toimimisest.
Struktuur, täpne seos ja võime luua paljudest väikestest üksustest toimiv süsteem
Tänapäevases sümboolses keeles võib räni seostada loogika, õppimise, teabe töötlemise, süsteemide loomise ja teadliku seoste kujundamisega. See on loominguline tõlgendus, mitte teaduslikult tõestatud mõju inimesele.
Neli seost
Üks element võib muutuda stabiilseks mitte eraldudes, vaid täpselt keskkonnaga ühinedes.
Kristalliline kord
Väikesed reeglid, mida järjepidevalt korratakse, võivad luua suure ja usaldusväärse struktuuri.
Lisandite tähtsus
Väike uus element ei pruugi süsteemi lõhkuda, vaid võib anda sellele täiesti uue funktsiooni.
Pooljuhtiv olek
Kõik ei pea olema täiesti avatud või täiesti suletud – väärtus võib peituda juhitavas üleminekus.
Signaal
Teave muutub tähenduslikuks alles siis, kui sellel on tee, suund ja selge olek.
Kivist mõtteni
Sama materjal võib täita täiesti erinevat rolli, kui muutub selle puhtuse, struktuuri ja korralduse kvaliteet.
Selge süsteemi rituaal
See kuiv sümboolne praktika on mõeldud tööks või projektiks, milles on palju eraldi detaile, kuid veel puudub selge toimiv struktuur.
Mida läheb vaja
- ühe räninäidise;
- paberilehe;
- pliiatsi;
- ühe keeruka ülesande või projekti.
Neli põhiseost
Pange kirja projekti neli kõige olulisemat osa, milleta süsteem ei saaks toimida.
Võrgustiku reegel
Kirjutage iga osa juurde üks selge reegel, mille järgi see peab toimima.
Signaali tee
Joonistage, kuidas teave, lahendus või materjal liigub ühest osast teise.
Kasulik lisand
Nimetage üks väike muudatus, mis võiks anda süsteemile uue funktsiooni või kõrvaldada suurima takistuse.
Loits
Asetage räni lehe keskele ja öelge kolm korda:
Näen seoseid, loon korda,
ühendan süsteemi väikeste üksustena.
Lõpetus
Öelge: „Ma ei pea kõike korraga looma. Piisab, kui ühendan täpselt järgmise kõige olulisema osa.“
Korduma kippuvad küsimused räni kohta
Mis on räni?
Kas räni on metall?
Kas räni on mineraal?
Milline on räni kristallstruktuur?
Kui kõva on räni?
Miks on räni pooljuht?
Mis on n-tüüpi ja p-tüüpi räni?
Kas räni ja ränidioksiid on sama asi?
Kas räni ja silikoon on sama asi?
Mida sümboliseerib räni tänapäeva kujutluses?
Räni näitab, kuidas üks ja sama aatomiline omadus võib kujundada mägesid, läbipaistvat kvartsi, päikesepaneele ja mikroskoopilisi loogikaväravaid
Looduses esineb räni peaaegu alati seotuna hapniku ja teiste elementidega, moodustades silikaatsete mineraalide tohutu mitmekesisuse.
Tööstuses vabastatakse see ränidioksiidist, puhastatakse ja kasvatatakse korrapärasteks monokristallideks.
Kui kristallvõresse lisada väga väike kogus sobivaid lisandeid, tekivad sinna lisaelektronid või augud ning elektrisignaal muutub juhitavaks.
Keemias on räni neljateistkümnes element. Sümboolses keeles võib see meenutada, et keerukad süsteemid ei sünni tingimata ühest suurest lahendusest – need tekivad siis, kui paljud väikesed seosed paigutatakse nii täpselt, et need hakkavad toimima ühe mõttena.