Polikristalni silicij
Linas JuozėnasDijeliti
Polikristalni silicij
Polikristalni silicij kristalni je materijal sastavljen od brojnih zasebnih kristala silicija, koji se nazivaju zrnima. U svakom su zrnu atomi raspoređeni u pravilnoj kubičnoj rešetki dijamantnog tipa, no rešetke susjednih zrna zakrenute su pod različitim kutovima. Na mjestima njihova susreta nastaju granice zrna. Upravo ta polikristalna struktura razlikuje polikristalni silicij od monokristalnog i daje mu karakterističan mozaični izgled površine. Taj je materijal postao jednom od najvažnijih poveznica između kvarcne sirovine, solarnih ćelija, mikroelektronike i iznimno čistih kristala silicija.
Kemijski je to isti silicij, no umjesto jedne neprekinute kristalne orijentacije sadrži tisuće ili milijune manjih kristalnih područja
Čisti kristalni silicij čine atomi silicija povezani u iznimno pravilnu trodimenzionalnu mrežu. U jednom kristalnom zrnu taj raspored zadržava istu orijentaciju.
Polikristalni materijal sadrži brojna takva zrna. Jedno može biti zakrenuto za nekoliko stupnjeva, dok je drugo orijentirano u sasvim drugom smjeru. Unutar zrna rešetka ostaje uređena, no kako se približava njegovu rubu, nizovi atoma više se ne mogu nastavljati sasvim pravilno.
Područje njihova susreta naziva se granicom zrna. Lokalno okruženje nekih atoma ondje se neznatno razlikuje, pa se u tim područjima mogu nakupljati defekti kristalne strukture, nečistoće i elektronička stanja.
Na prvi pogled ta razlika može se činiti malom, no u elektronici je vrlo važna: u gotovo savršenoj kristalnoj rešetki elektroni i šupljine kreću se drukčije nego u materijalu ispresijecanom brojnim granicama zrna.
Bit polikristalnog silicija: svako je pojedino zrno kristal, ali cijeli materijal nije jedan kristal. To je zajednica mnogih kristala.
Kristalno zrno
Malo područje silicija u kojem atomi zadržavaju jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Grūdelių riba
Područje u kojem se susreću dvije različito zakrenute kristalne rešetke.
Polikristalna cjelina
Mnoga zrna mehanički srastu i tvore jedan neprekinuti komad silicija.
Siv, sjajan i krhak poluvodič čija električna svojstva uvelike ovise o čistoći, nečistoćama i veličini kristalnih zrna
| Kemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluvodič |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura unutar zrna | Kubična struktura dijamantnog tipa |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 prema Mohsovoj ljestvici |
| Gustoća | Oko 2,33 g/cm³ |
| Talište | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiva, srebrnosiva, plavkastosiva ili gotovo crna |
| Sjaj | Od metalnog do polumetalnog |
| Mehanička svojstva | Čvrst, ali krhak |
| Elektronski tip | Puslaidininkis |
| Širina zabranjenog pojasa | Oko 1,12 eV na sobnoj temperaturi |
| Električna vodljivost | Uvelike ovisi o temperaturi, čistoći i kontroliranom dopiranju |
| Glavna strukturna razlika | Mnoga kristalna zrna različitih orijentacija, odvojena granicama zrna |
Svaki atom silicija veže se s četiri susjedna atoma i tvori tetraedarsku mrežu nalik dijamantnoj strukturi
Ponavljajući red u tri dimenzije
U kristalnom siliciju svaki atom ima četiri najbliža susjedna atoma silicija. Kovalentne veze tvore trodimenzionalnu tetraedarsku mrežu koja određuje i geometriju kristala i njegova poluvodička svojstva.
Četiri veze
Svaki atom silicija ima četiri valentna elektrona i u kristalu stvara četiri jake kovalentne veze.
Tetraedarska geometrija
Susjedni atomi raspoređeni su u smjerovima tetraedra, pa rešetka nije jednostavna kubična mreža.
Dijamantna struktura
Tip silicijeve rešetke u osnovi je jednak dijamantnom, iako su atomi silicija veći, a veze slabije nego u kristalu ugljika.
Elektronska stanja
Zbog periodičnog rasporeda atoma nastaju valentna i vodljiva energetska vrpca.
Zabranjeni pojas poluvodiča
Između valentne i vodljive vrpce nalazi se zabranjeni energetski pojas, pa silicij nije ni dobro vodljiv metal ni uobičajeni izolator.
Utjecaj temperature
Toplina može elektronima dati dovoljno energije da prijeđu u vodljivu vrpcu i povećaju električnu vodljivost.
U polikristalnom siliciju u svakom se zrnu ponavlja ista dijamantna kubična rešetka. Razlikuje se orijentacija cijelog zrna u prostoru, a ne lokalni raspored atoma.
Površinu polikristalnog silicija, nalik mozaiku, čine zasebna kristalna područja koja zbog različite orijentacije nejednako reflektiraju svjetlost
Jedna površina, mnogo kristalografskih kutova
Atomi na površini svakog zrna blago su različito orijentirani u odnosu na smjer upadne svjetlosti, kemijskog nagrizanja i mehaničke obrade. Zbog toga susjedna područja mogu izgledati svjetlije, tamnije ili plavičastije.
Unutar zrna
Ovdje je raspored atoma prilično pravilan i vrlo nalikuje strukturi monokristala.
Granica
Na mjestu gdje se susreću dva područja različite orijentacije ne mogu se sve atomske veze nastaviti u potpuno pravilnom nizu.
Defekti kristala
Na granicama mogu biti deformirane veze, dislokacije i drugi defekti rešetke.
Nakupljanje nečistoća
Za neke strane atome energetski je povoljnije nakupljati se na granicama zrna nego unutar savršene rešetke.
Rekombinacija nositelja naboja
Na granicama se elektroni i šupljine mogu lakše rekombinirati, čime se skraćuje njihovo korisno vrijeme života.
Veličina zrna
Što su zrna veća, to je manje granica u istom volumenu materijala.
Granice zrna nisu samo vidljive linije. To su stvarni spojevi kristalnih područja koji mogu utjecati na prijenos naboja, mehanički odziv i raspodjelu nečistoća.
Da bi se iz silicijeva dioksida dobio materijal čistoće prikladne za elektroniku, nije dovoljno samo rastaliti silicij - potrebno je ukloniti i gotovo sve nepoželjne nečistoće
Sirovina sa silicijevim dioksidom
Industrijski proizvodni postupak obično počinje kvarcom ili drugim materijalom s vrlo visokim udjelom silicijeva dioksida.
Redukcija ugljikom
Pri visokoj temperaturi uklanja se kisik i dobiva elementarni silicij metalurške čistoće.
Silicij se pretvara u hlapljive spojeve
Kako bi se silicij mogao pročistiti do vrlo visoke razine, kemijski se pretvara u spojeve koji se mogu destilirati.
Spojevi se pročišćavaju
Destilacijom se odvajaju tvari čije se točke vrelišta i kemijska svojstva razlikuju od onih željenog spoja silicija.
Taloži se čisti silicij
Pri visokoj temperaturi plinoviti spoj koji sadržava silicij razlaže se, a elementarni silicij taloži se na zagrijanoj podlozi.
Dobiva se polisilicij
Dobiva se vrlo čist polikristalni silicij koji se kasnije može rastaliti i upotrijebiti za uzgoj drugih kristalnih oblika.
U industriji se pojam polisilicij često odnosi na vrlo čisti polikristalni silicij - sirovinu iz koje se kasnije mogu uzgajati monokristali ili lijevati polikristalni ingoti.
Dok se rastaljeni silicij hladi, na mnogim mjestima istodobno nastaju kristalni zametci koji rastu dok se ne dodirnu
Silicij se tali
Kada temperatura prijeđe točku taljenja, daleki kristalni red nestaje, a atomi se kreću u tekućoj talini.
Temperatura počinje padati
Kako se talina hladi, stvaraju se uvjeti da se atomi ponovno povežu u kubičnu kristalnu rešetku dijamantnog tipa.
Nastaje mnogo zametaka
Na različitim mjestima u talini počinju rasti zasebni kristali silicija.
Kristali rastu
Svaki zametak raste u vlastitoj kristalografskoj orijentaciji, ugrađujući sve više atoma silicija.
Zrnca se dodiruju
Frontovi rastućih kristala susreću se i više ne mogu nastaviti svoje rešetke bez strukturnog kompromisa.
Nastaju granice zrna
Cijeli se materijal stvrdne u jedan cjelovit blok, ali u njemu ostaje mnogo različitih kristalografskih orijentacija.
Kad bi se cijela talina kristalizirala iz jednog prikladno orijentiranog kristalnog sjemena, bez nastanka dodatnih jezgri, mogao bi se dobiti monokristal. Polikristal nastaje kad istodobno raste mnogo kristalizacijskih središta.
Polikristalni silicij pomogao je pretvoriti fotonaponsku tehnologiju u sustav za proizvodnju energije u velikim razmjerima
Od svjetlosti do električnog strujnog kruga
Foton Sunčeve svjetlosti može predati energiju elektronu u siliciju i pobuditi ga u vodljivu vrpcu. Pravilno oblikovano područje električnog polja odvaja elektron od preostale šupljine i usmjerava naboj u vanjski strujni krug.
Apsorpcija fotona
Svjetlost s dovoljno energije može stvoriti pokretni elektron i pozitivnog nositelja naboja – šupljinu.
Silicij p-tipa i n-tipa
Uvođenjem kontroliranih količina različitih dopanata mogu se stvoriti područja s različitim koncentracijama nositelja naboja.
p–n spoj
Električno polje nastalo na spoju dvaju područja pomaže razdvajanju nositelja naboja koje je stvorila svjetlost.
Gubici na granicama zrna
Dio elektrona i šupljina može se rekombinirati na granicama zrna prije nego što stigne do elektroda.
Velika zrna
Veća kristalna zrna smanjuju broj granica i obično pridonose očuvanju boljih elektroničkih svojstava.
Plava površina
Plavu boju tipičnu za mnoge klasične polikristalne solarne ćelije pojačavaju površinski premazi koji smanjuju refleksiju.
Polikristalna solarna ćelija nije „manje kristalna” od monokristalne. Sadrži mnogo pravih kristala – samo su njihove orijentacije različite, a između njih ima više granica.
Tanki slojevi polikristalnog silicija omogućuju izradu tranzistora ondje gdje nije potreban monokristalni silicij u masivnom obliku
Tankoslojni tranzistori
Polikristalni silicij može se upotrebljavati u tankoslojnim tranzistorima zaslona i drugih elektroničkih struktura.
Vrata integriranih sklopova
Ranije se jako dopirani polisilicij široko upotrebljavao kao materijal za elektrode vrata MOS tranzistora.
Otpornici
Kontroliranjem kombinacije strukture zrna, dopiranja i geometrije sloja mogu se oblikovati električni otpornici.
Mikromehanički sustavi
Slojevi polikristalnog silicija mogu postati mikroskopske grede, membrane i pokretne strukture.
Senzori
Zbog svojih mehaničkih i električnih svojstava polikristalni silicij može se upotrebljavati u mikrosenzorima tlaka, gibanja i drugih parametara.
Kontrolirano dopiranje
Količina bora, fosfora ili drugih prikladnih dopanata može promijeniti koncentraciju slobodnih nositelja naboja za mnogo redova veličine.
U elektronici, polisilicij često ne znači veliki sjajni komad silicija, već vrlo tanak sloj polikristalnog silicija integriran u složenu strukturu mikročipa.
U oba se materijala atomi povezuju na isti način, no u jednom se kristalna rešetka nastavlja gotovo bez promjene smjera, dok je u drugom podijeljena na mnoga kristalna područja
Monokristal
Gotovo cijeli ingot ima istu kristalografsku orijentaciju.
Polikristal
Ingot se sastoji od mnogih područja različite kristalografske orijentacije.
Granice zrna
U monokristalu ih gotovo i nema, dok u polikristalu čine široku unutarnju mrežu.
Prijenos elektrona
Savršeniji red monokristala obično omogućuje nositeljima naboja da se kreću uz manje strukturnih prepreka.
Način rasta
Za proizvodnju monokristala potrebno je kontrolirati rast jednog kristala, dok se polikristalni materijal može skrućivati iz mnogih kristalizacijskih jezgri.
Izgled
Na površini polikristalnog materijala često se može vidjeti mozaični uzorak koji tvore pojedinačna zrna.
Monokristalni i polikristalni silicij nisu dvije različite kemijske tvari. Oba se mogu sastojati od gotovo čistog elementarnog silicija - razlikuju se po razmjeru kristalnog reda.
Element čiji spojevi čine velik dio svijeta stijena postao je i jedan od najvažnijih temelja digitalne civilizacije
U prirodi se silicij gotovo nikada ne nalazi u obliku velikih kristala čistog elementa jer se vrlo lako spaja s kisikom. U kvarcu, glinenim škriljevcima i bezbrojnim silikatnim mineralima nalazi se u oksidiranom stanju.
Industrijska povijest silicija započela je učenjem izdvajanja silicija iz kisika i drugih elemenata, nakon čega su razvijene sve naprednije metode njegova pročišćavanja.
Elektronička revolucija nije zahtijevala bilo kakav silicij, nego iznimno čist silicij s kontroliranom kristalnom strukturom. Čak i vrlo male količine neželjenih elemenata mogu znatno promijeniti električna svojstva poluvodiča.
Proizvodnja polikristalnog silicija postala je poveznica između kemije sirovina i kristalnog inženjerstva. Od taline pročišćenog polikristalnog silicija mogu se oblikovati ingoti za solarne ćelije ili se on može upotrijebiti za uzgoj velikih monokristala za mikroelektroniku.
Tako je jedan od najzastupljenijih elemenata u Zemljinoj kori postao materijal čija je zastupljenost manje važna od iznimno precizne kontrole strukture i čistoće.
Silicij je stekao tehnološku vrijednost kada su ljudi naučili ne samo izdvajati ga nego i kontrolirati gotovo svaki aspekt njegova kristala - od nečistoća do orijentacije atoma.
Grad mnogih kristala
U rastaljenom siliciju gotovo su istodobno nastali mnogi mali kristali.
Svaki je počeo rasti u vlastitom smjeru.
„Ako svi ne budemo jednako orijentirani, nikada nećemo postati jedno tijelo“, rekao je prvi kristal.
No temperatura je nastavila padati, a kristali su sve više rasli.
Naposljetku su se njihovi rubovi susreli.
Njihove se rešetke nisu savršeno poklapale. Između njih nastala je granica.
„Vidiš? rekao je prvi. Još uvijek smo različiti.“
„Da, odgovorio je drugi. Ali naša granica sada nije praznina. Postala je mjesto gdje smo se spojili.“
Kai visas lydalas sukietėjo, vieno tobulo kristalo nebuvo. Jų buvo milijonai – ir kartu jie tapo viena veikiančia medžiaga.
Tai nėra senovinė legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikrojo grūdelių augimo polikristaliniame silicyje.
Daugybės krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu kurti didesnę sistemą, veikiančią visų jos dalių dėka
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integravimu ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai įrodytas poveikis žmonėms.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savo kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Dviejų žmonių ar idėjų skirtumas gali tapti ne tik konflikto šaltiniu, bet ir pačia jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali rastis vienu metu daugelyje vietų, o vėliau susijungti į vieną sistemą.
Puslaidininkis
Gebėjimas kontroliuoti, kada energija teka, o kada jos srautas sustoja, gali simbolizuoti sąmoningai nustatytas ribas ir kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunamą energiją galima ne tik sugerti, bet ir paversti naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti skirtingų savo dalių – kartais būtent jos sukuria įdomiausią jos struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kai turite keletą skirtingų užduočių, gebėjimų ar žmonių ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą, neverčiant visų dalių tapti vienodomis.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norėtumėte veiksmingiau organizuoti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelias atskiras sritis ir kiekvienoje įrašykite po vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Šalia kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kurios jos krypties nereikėtų prievarta keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sąsają, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Tvirtesnis ryšys
Pasirinkite vieną nedidelį pokytį, kuris pagerintų sąveiką ties šia konkrečia riba: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Kartojami žodžiai
Padėkite polikristalinį silicį diagramos centre ir tris kartus ištarkite:
Išsaugau kiekvieną kryptį ir stiprinu kiekvieną ryšį,
iš daugybės atskirų dalių kuriu jas pranokstančią veikiančią visumą.
Užbaigimas
Ištarkite: „Vienybei nereikia vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš stiprinu vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Koja je njegova kemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicij razlikuje od monokristalnog silicija?
Što je granica zrna?
Je li svako zrno polikristalnog silicija pravi kristal?
Kolika je tvrdoća silicija?
Kolika je njegova gustoća?
Zašto polikristalni silicij izgleda poput mozaika?
Što je polisilicij?
Koristi li se polikristalni silicij u solarnim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne u solarnim ćelijama?
Koristi li se polisilicij u mikroelektronici?
Što polikristalni silicij simbolizira u suvremenoj mašti?
Polikristalni silicij pokazuje da se funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, nego pažljivim organiziranjem mjesta na kojima se susreću različiti smjerovi
Njegova priča počinje istim atomom silicija, koji se u prirodi najčešće nalazi skriven u kvarcu i silikatnim mineralima.
Pročišćeni i rastaljeni silicij pri hlađenju počinje kristalizirati na mnogim mjestima istodobno.
Svaki kristal raste u svom smjeru, a kada se susretnu, oblikuju granice zrna i zajedno postaju jedno čvrsto polikristalno tijelo.
U svijetu tehnologije ovaj materijal povezuje kemiju, fiziku kristala, solarnu energetiku i mikroelektroniku. Simbolički može podsjetiti da složena cjelina ne mora nužno imati samo jedan smjer – ponekad se njezina snaga očituje upravo zato što mnoštvo različitih kristala nauči postojati u jednom tijelu.