Polikristalni silicij
Linas JuozėnasPodijeli
Polikristalni silicij
Polikristalni silicij materijal je od kristalnog silicija sastavljen od mnogih pojedinačnih kristala silicija, koji se nazivaju zrnima. U svakom zrnu atomi su raspoređeni u pravilnoj dijamantnoj rešetki, no rešetke susjednih zrna zakrenute su pod različitim kutovima. Na mjestima njihova susreta nastaju granice zrna. Upravo ta višekristalna struktura razlikuje polikristalni silicij od monokristalnog silicija i daje mu karakterističnu mozaičnu površinu. Ovaj je materijal postao jednom od najvažnijih međufaza između sirovog kvarca, solarnih ćelija, mikroelektronike i iznimno čistih kristala silicija.
Kemijski je to isti silicij, ali umjesto jedne neprekinute kristalne orijentacije u njemu postoje tisuće ili milijuni manjih kristalnih područja
Čisti kristalni silicij sastoji se od atoma silicija povezanih u vrlo uređenu trodimenzionalnu mrežu. U jednom kristalnom zrnu taj se red nastavlja u jednoj orijentaciji.
U polikristalnom materijalu ima mnogo takvih zrna. Jedno može biti zakrenuto za nekoliko stupnjeva, a drugo – u potpuno drugom smjeru. Dok smo unutar jednog zrna, rešetka ostaje uređena, no približavanjem njegovu rubu nizovi atoma više se ne mogu savršeno nastaviti.
Mjesto susreta naziva se granica zrna. Ondje neki atomi imaju nešto drukčije susjedstvo, pa se na tom mjestu mogu koncentrirati kristalni defekti, primjese i elektronička stanja.
Ta se razlika na prvi pogled čini malom, ali za elektroniku je važna: elektroni i šupljine kreću se drukčije kroz savršenu kristalnu rešetku nego kroz mnogobrojne njezine granice.
Bit polikristalnog silicija: svako pojedino zrno je kristal, ali cijeli materijal nije jedan kristal. On je zajednica mnogih kristala.
Kristalno zrno
Malo područje silicija u kojem atomi zadržavaju jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Granica zrnaca
Područje u kojem se susreću dvije različito zakrenute kristalne rešetke.
Polikristalna cjelina
Mnoštvo zrna mehanički srasta i tvori jedinstveni komad silicija.
Siva, sjajna i krta poluvodička tvar čije električno ponašanje snažno mijenjaju čistoća, primjese i veličina kristalnih zrna
| Kemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluvodič |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura u zrnu | Dijamantna kubična struktura |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 prema Mohsovoj ljestvici |
| Gustoća | Oko 2,33 g/cm³ |
| Temperatura taljenja | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiva, sivo-srebrna, plavkastosiva ili crnkasta |
| Sjaj | Metalni ili polumetalni sjaj |
| Mehanička svojstva | Čvrst, ali krt |
| Elektronski tip | Poluvodič |
| Širina zabranjene vrpce | Oko 1,12 eV pri sobnoj temperaturi |
| Električna vodljivost | Uvelike ovisi o temperaturi, čistoći i kontroliranom dopiranju |
| Glavna strukturna razlika | Mnoštvo kristalnih orijentacija i granice zrna koje ih razdvajaju |
Svaki atom silicija povezuje se s četiri susjeda, stvarajući tetraedarsku mrežu nalik dijamantnoj strukturi
Poredak koji se ponavlja u trima smjerovima
U kristalnom siliciju svaki atom ima četiri najbliža atoma silicija. Kovalentne veze tvore prostornu mrežu tetraedara koja određuje i geometriju kristala i njegova poluvodička svojstva.
Četiri veze
Svaki atom silicija ima četiri valentna elektrona i u kristalu stvara četiri snažne kovalentne veze.
Tetraedarska geometrija
Susjedni atomi raspoređuju se u smjerovima tetraedra, pa rešetka nije obična kubična mreža.
Dijamantna struktura
Tip silicijeve rešetke isti je kao kod dijamanta, iako su atomi silicija veći, a veze slabije nego u kristalu ugljika.
Stanja elektrona
Periodični raspored atoma stvara valentne i vodljive energijske vrpce.
Procjep poluvodiča
Između valentne i vodljive vrpce postoji energijski procjep, pa silicij nije ni dobar metal ni uobičajeni izolator.
Utjecaj temperature
Toplina može elektronima dati dovoljno energije za prijelaz u vodljivu vrpcu i povećati vodljivost.
U polikristalnom siliciju ista se dijamantna rešetka ponavlja u svakom zrnu. Ne razlikuje se lokalni raspored atoma, nego orijentacija cijelog zrna u prostoru.
Mozaičnu površinu polikristalnog silicija stvaraju pojedinačna kristalna područja koja različito reflektiraju svjetlost zbog različite orijentacije
Jedna površina, mnoštvo kristalografskih kutova
Atomi na površini svakog zrna malo su drukčije orijentirani u odnosu na svjetlost, kemijsko nagrizanje i mehaničku obradu. Zbog toga susjedna područja mogu izgledati svjetlije, tamnije ili plavkastije.
Unutrašnjost zrna
Atomski raspored ovdje prilično je pravilan i sličan strukturi monokristala.
Granica
Kada se susretnu dvije orijentacije, sve se atomske veze ne mogu nastaviti u idealnom periodičnom slijedu.
Kristalni defekti
Na granicama mogu postojati deformirane veze, dislokacije i druge nepravilnosti rešetke.
Nakupljanje nečistoća
Neki se strani atomi energetski povoljnije nakupljaju na granicama zrna nego u savršenoj rešetki.
Rekombinacija nositelja naboja
Elektroni i šupljine na granicama mogu se lakše spojiti, zbog čega se smanjuje njihovo korisno vrijeme života.
Veličina zrna
Što su zrna veća, to manje granica pripada istom obujmu materijala.
Granice zrna nisu samo vidljive linije. One su stvarni kristalni spojevi koji mogu mijenjati gibanje električnog naboja, mehanički odziv i raspodjelu nečistoća.
Put od silicijeva dioksida do materijala prikladnog za elektroniku zahtijeva ne samo taljenje silicija nego i uklanjanje gotovo svih stranih nečistoća
Sirovina silicijeva dioksida
Industrijski put najčešće počinje kvarcom ili drugim materijalom vrlo bogatim silicijevim dioksidom.
Redukcija ugljikom
Pri visokoj temperaturi uklanja se kisik, čime se dobiva elementarni silicij metalurške čistoće.
Silicij se pretvara u hlapljive spojeve
Kako bi se mogao iznimno precizno pročistiti, silicij se kemijski pretvara u spojeve koji se mogu destilirati.
Spojevi se pročišćavaju
Destilacijom se odvajaju tvari čije se vrelište i kemijsko ponašanje razlikuju od onih željenog silicijevog spoja.
Taloži se čisti silicij
Pri visokoj temperaturi plinoviti spoj koji sadržava silicij razgrađuje se, a elementarni silicij taloži se na zagrijanoj podlozi.
Dobiva se polisilicij
Dobiva se vrlo čist polikristalni silicijev materijal, koji se poslije može taliti i koristiti za uzgoj drugih kristalnih oblika.
Pojam „polisilicij” u industriji često označava vrlo čisti polikristalni silicij – sirovinu iz koje se poslije uzgajaju monokristali ili lijevaju polikristalni ingoti.
Hlađenjem rastaljenog silicija na mnogim mjestima istodobno nastaju kristalne jezgre, koje rastu sve dok se međusobno ne susretnu
Silicij se tali
Iznad tališta nestaje dugotrajni kristalni red, a atomi se kreću u tekućoj talini.
Temperatura se počinje snižavati
Hlađenjem nastaju uvjeti da se atomi ponovno povežu u kristalnu dijamantnu rešetku.
Nastaje mnogo jezgri
Na različitim mjestima u talini počinju rasti zasebni kristali silicija.
Kristali se šire
Svaka jezgra raste u vlastitoj kristalografskoj orijentaciji, spajajući sve više atoma silicija.
Zrna se susreću
Frontovi rastućih kristala dosežu jedan drugi i više ne mogu nastaviti svoje rešetke bez strukturnog kompromisa.
Nastaju granice zrna
Sav materijal stvrdne se u kompaktan blok, ali u njemu ostaje mnoštvo zasebnih kristalnih orijentacija.
Kad bi cijela talina bila prisiljena rasti iz jedne pravilno orijentirane kristalne jezgre, a druge jezgre se ne bi stvarale, mogao bi se dobiti monokristal. Polikristal nastaje kada istodobno raste mnogo kristalnih središta.
Polikristalni silicij pomogao je pretvoriti fotonaponsku tehnologiju u masovni sustav proizvodnje energije
Svjetlost u električni krug
Solarni foton može predati energiju elektronu silicija i podići ga u vodljivu vrpcu. Pravilno oblikovano područje električnog polja odvaja elektron od preostale šupljine i usmjerava naboj u vanjski strujni krug.
Apsorpcija fotona
Svjetlost dovoljne energije može stvoriti pokretni elektron i pozitivan nositelj naboja – šupljinu.
Silicij p- i n-tipa
Kontroliranim uvođenjem različitih primjesa stvaraju se područja s različitom koncentracijom nositelja naboja.
p–n spoj
Električno polje nastalo na spoju dvaju područja pomaže razdvojiti nositelje naboja stvorene svjetlošću.
Gubici na granicama zrna
Dio elektrona i šupljina može rekombinirati na granicama prije nego što dosegne elektrode.
Velika zrna
Veća kristalna zrna smanjuju broj granica i obično pomažu u očuvanju boljih elektroničkih svojstava.
Plava površina
Plavu boju karakterističnu za mnoge klasične polikristalne solarne ćelije pojačavaju antirefleksijski površinski slojevi.
Polikristalna solarna ćelija nije „manje kristalna” od monokristalne. U njoj ima mnogo pravih kristala – samo su im orijentacije različite i između njih ima više granica.
Tanki slojevi polikristalnog silicija omogućuju izradu tranzistora ondje gdje uporaba masivnog monokristala nije nužna
Tankoslojni tranzistori
Polikristalni silicij može se upotrebljavati u tankoslojnim tranzistorima zaslona i drugih elektroničkih struktura.
Vrata mikročipova
Povijesno se jako dopirani polisilicij široko upotrebljavao u elektrodama vrata MOS tranzistora.
Otpornici
Kontrolirana kombinacija veličine zrna, dopiranja i geometrije sloja omogućuje oblikovanje električnih otpora.
Mikromehanički sustavi
Slojevi polikristalnog silicija mogu postati mikroskopske grede, membrane i pokretne konstrukcije.
Senzori
Mehanička i električna svojstva omogućuju uporabu polisilicija u mikrosenzorima tlaka, gibanja i drugih parametara.
Kontrolirano dopiranje
Količina bora, fosfora ili drugih odgovarajućih primjesa omogućuje promjenu koncentracije slobodnih nositelja naboja kroz mnoge redove veličine.
U elektronici riječ „polisilicij” često ne označava velik, sjajan komad silicija, nego vrlo tanak sloj polikristalnog silicija integriran u složenu strukturu mikročipa.
Dviju materijala atomi povezuju se na isti način, no u jednom se rešetka proteže gotovo bez promjene smjera, dok je u drugom podijeljena na mnoštvo kristalnih područja
Monokristal
Gotovo cijeli radinak ima jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Polikristal
Radinak se sastoji od mnoštva zasebnih kristalnih orijentacija.
Granice zrnaca
U monokristalu ih gotovo nema, dok u polikristalu čine cijelu unutarnju mrežu.
Kretanje elektrona
Savršeniji red monokristala obično omogućuje nositeljima naboja kretanje s manje strukturnih prepreka.
Proizvodni put
Za monokristal potrebno je upravljati rastom jednog kristala, dok se polikristalni materijal može stvrdnuti iz mnogih jezgri.
Izgled
Na polikristalnoj površini često se može vidjeti mozaični uzorak pojedinačnih zrnaca.
Monokristal i polikristal nisu dvije različite kemijske tvari. Oba mogu biti gotovo čisti elementarni silicij – razlikuju se po opsegu kristalnog reda.
Element čiji spojevi čine najveći dio stijena na svijetu postao je i jedan od najvažnijih temelja digitalne civilizacije
U prirodi se silicij gotovo nikada ne nalazi kao veliki kristal čistog elementa jer se vrlo lako spaja s kisikom. Kvarc, feldspati i brojni silikati čuvaju ga u oksidiranom stanju.
Industrijska povijest silicija započela je sposobnošću odvajanja silicija od kisika i drugih elemenata, a potom njegovim sve naprednijim pročišćavanjem.
Elektroničkoj revoluciji nije bio potreban tek silicij, nego silicij iznimne čistoće i kontrolirane kristalne strukture. Čak i vrlo male količine neželjenih elemenata mogu značajno promijeniti električna svojstva poluvodiča.
Proizvodnja polisilicija postala je poveznica između kemije sirovina i inženjerstva kristala. Od pročišćenog polisilicija mogu se taliti polazni materijali za solarne ćelije ili uzgajati veliki monokristali za mikroelektroniku.
Tako je jedan od najzastupljenijih elemenata Zemljine kore postao materijal u kojemu nije važna obilnost, nego iznimno precizno kontrolirana struktura i čistoća.
Silicijeva tehnološka vrijednost pojavila se kada su ljudi naučili ne samo izdvajati ga, nego i kontrolirati gotovo svaki aspekt njegova kristala – od primjesa do orijentacije atoma.
Grad od mnogih kristala
U tekućem siliciju gotovo su istodobno nastala nekoliko malih kristala.
Svaki je počeo rasti u svojem smjeru.
„Ako svi nismo jednako okrenuti, nikada nećemo postati jedno tijelo“, rekao je prvi kristal.
Međutim, temperatura je i dalje padala, a kristali su se širili.
Naposljetku su se njihovi rubovi susreli.
Rešetke se nisu savršeno poklapale. Između njih pojavila se granica.
„Vidiš?“ rekao je prvi. „Još smo uvijek različiti.“
„Da“, odgovorio je drugi. „Ali sada naša granica više nije praznina. Postala je mjesto gdje smo se spojili.“
Kad se sva talina skrušila, nije nastao jedan savršeni kristal. Nastali su milijuni njih – i svi su zajedno postali jedan funkcionalni materijal.
Ovo nije drevna legenda. To je kreativna priča nadahnuta stvarnim rastom zrnaca polikristalnog silicija.
Jedinstvo mnogih smjerova, sposobnost zadržavanja vlastite strukture i istodobnog stvaranja većeg sustava koji djeluje samo zahvaljujući svim svojim dijelovima
U suvremenom simboličkom jeziku polikristalni silicij može se povezivati sa suradnjom, stvaranjem složenih sustava, integracijom različitih sposobnosti i razumijevanjem da jedinstvo ne znači nužno jednakost. Ovo je kreativno tumačenje, a ne znanstveno potvrđen učinak na čovjeka.
Pojedinačno zrnce
Svaki dio čovjekova života može imati vlastiti smjer, a ipak pripadati većoj cjelini.
Granica zrnaca
Razlika između dviju osoba ili ideja može postati ne samo sukob, već i stvarno mjesto njihova povezivanja.
Kristalizacija
Red se može pojaviti istodobno na mnogim mjestima i kasnije se povezati u jedan sustav.
Poluvodič
Sposobnost upravljanja time kada energija teče, a kada se zaustavlja, može simbolizirati svjesne granice i usmjereno djelovanje.
Solarna ćelija
Energija dobivena izvana ne mora se samo apsorbirati, već se može pretvoriti i u koristan rad.
Mozaična cjelina
Složeni sustav ne mora skrivati svoje različite dijelove – ponekad upravo oni stvaraju najzanimljiviju strukturu.
Ritual zajedničke strukture
Ova suha simbolička praksa namijenjena je situaciji u kojoj imate nekoliko različitih zadataka, vještina ili ljudi i želite razumjeti kako ih povezati u jedan funkcionalan sustav, a da sve ne prisiljavate da postanu jednaki.
Što će vam trebati
- jednog uzorka polikristalnog silicija;
- lista papira;
- olovke;
- jednog sustava ili projekta koji želite bolje urediti.
Zrnca
Na listu papira nacrtajte nekoliko odvojenih područja i u svako od njih upišite jedan dio projekta, osobu, vještinu ili odgovornost.
Smjerovi
Uz svaki dio označite što najbolje radi i koji smjer ne bi trebalo prisilno mijenjati.
Granice
Između susjednih područja zapišite koje informacije, resursi ili odluke moraju prijeći iz jednog u drugo.
Mjesta nedostataka
Označite jedan spoj na kojem se trenutačno gubi najviše vremena, energije ili jasnoće.
Čvršća veza
Odaberite jednu malu promjenu koja bi poboljšala upravo ovu granicu: jasnije pravilo, bolji prijenos informacija ili jednostavniji proces.
Bajanje
Stavite polikristalni silicij u središte sheme i tri puta izgovorite:
Smjerove čuvam, granice povezujem,
od mnogih dijelova stvaram cjelinu koja djeluje.
Završetak
Recite: „Jedinstvo ne zahtijeva jednakost. Svaki dio može zadržati svoj smjer, a ja mogu ojačati mjesta na kojima se susreću.“
Najčešća pitanja o polikristalnom siliciju
Što je polikristalni silicij?
Koja je njegova kemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicij razlikuje od monokristalnog?
Što je granica zrna?
Je li svako zrno polikristalnog silicija pravi kristal?
Kolika je tvrdoća silicija?
Kolika je njegova gustoća?
Zašto polikristalni silicij izgleda mozaično?
Što je polisilicij?
Koristi li se polikristalni silicij u sunčevim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne za sunčeve ćelije?
Koristi li se polisilicij u mikroelektronici?
Što polikristalni silicij simbolizira u suvremenoj mašti?
Polikristalni silicij pokazuje da se jedna funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, nego preciznim uređenjem mjesta na kojima se različiti smjerovi susreću
Njegova povijest počinje istim atomom silicija koji se u prirodi najčešće skriva u kvarcu i silikatnim mineralima.
Pročišćeni i rastaljeni silicij pri hlađenju počinje kristalizirati na mnogim mjestima istodobno.
Svaki kristal raste u vlastitom smjeru, a kada se susretnu, oblikuju granice zrna i zajedno postaju jedno čvrsto polikristalno tijelo.
U svijetu tehnologije ovaj materijal povezuje kemiju, fiziku kristala, sunčevu energiju i mikroelektroniku. U simboličkom jeziku može podsjetiti da složena cjelina ne mora imati samo jedan smjer – ponekad njezina snaga proizlazi iz toga što mnoštvo različitih kristala nauči postojati u jednom tijelu.