Silicis
Linas JuozėnasDijeliti
Silicij: tetraedarski element koji povezuje kamen, staklo, svjetlost i logiku
Silicij povezuje dvije razine o kojima se rijetko govori kad je riječ o istom materijalu. U Zemljinoj kori tvori okvire, lance, slojeve i zasebne tetraedre s kisikom u središtu, od kojih nastaju kvarc, feldspat, glina, tinjac, piroksen, amfibol i mnogi drugi minerali. Pročišćen do elementarnog oblika, isti atom postaje precizno kontrolirani poluvodič čiju se vodljivost može mijenjati vrlo malim količinama bora, fosfora i sličnih dopanata. Njegovu vrijednost ne određuju obilje metala ni boja dragog kamena, već struktura: četiri kovalentne veze, stabilan oksid, promjenjiva širina zabranjenog pojasa i proizvodni sustav koji omogućuje oblikovanje milijardi uređaja na uglačanoj površini kristala.
Kratke činjenice
Elementarni silicij je poluvodič s kovalentnim vezama, a ne uobičajeni metal. Njegova polirana površina može izgledati metalno, no električna svojstva, krhak lom, optička apsorpcija i kristalna struktura u kojoj svaki atom ima četiri susjeda svrstavaju ga u drugu kategoriju materijala. Gotovo sav silicij koji se nalazi u prirodi kemijski je vezan s kisikom i drugim elementima; uzorci elementarnog silicija veličine prikladne za zbirke obično su pročišćeni ili uzgojeni u laboratoriju.
| Pojam | Značenje | Važna razlika |
|---|---|---|
| Silicij | Kemijski element Si, koji se pojavljuje u obliku elementarne tvari, legure, kristalnog, polikristalnog ili amorfnog materijala. | Elementarni silicij nije ni kvarc ni fleksibilni silikonski polimer. |
| Silicijev dioksid | Silicijev dioksid, SiO₂, pojavljuje se u oblicima kvarca, tridimita, kristobalita, koezita, stišovita, opala, stakla i srodnih materijala. | Silicijev dioksid sadrži kisik i po svojstvima se znatno razlikuje od elementarnog silicija. |
| Silikat | Velika skupina minerala i materijala čiju strukturu čine tetraedri silicija i kisika povezani s metalima i drugim kationima. | Feldspat, tinjac, glina, piroksen, amfibol, olivin i granat silikati su, a ne elementarni silicij. |
| Silikon | Skupina sintetskih polisiloksanskih materijala čiji se polimerni kostur sastoji od naizmjenično poredanih atoma silicija i kisika. | Silikoni mogu biti gumasti, tekući, smolasti ili ljepljivi; oni nisu elementarni silicij. |
| Silicijev karbid | SiC je tvrda kovalentna keramika, u prirodi se pojavljuje kao rijetki moisanit, a proizvodi se u različitim oblicima za tehničku primjenu. | Tvrđi je, gušći i optički se razlikuje od elementarnog silicija. |
| Polisilicij | Polikristalni silicij visoke čistoće, taložen u obliku šipki, komada ili granula za proizvodnju poluvodiča i fotonaponskih proizvoda. | Naziv označava mnoštvo kristalnih zrna, a ne polimer koji sadrži silicij. |
| Monokristalni silicij | Jedinstveni kristal čija je kristalografska orijentacija jednaka u cijelom upotrebljivom volumenu. | Većina pločica za integrirane sklopove izrađuje se od pažljivo uzgojenih monokristalnih ingota. |
| Amorfni silicij | Nekristalni silicij, taložen u obliku tankog filma, najčešće se hidrogenira kako bi se smanjio broj elektroničkih defekata. | Nedostaje mu dalekosežni red dijamantne kubične strukture koji postoji u kristalnoj pločici. |
Identitet, naziv i granica između elementa i minerala
Silicij je element, a ne opći naziv za sve materijale koji sadrže silicij. Ta je razlika važna jer je elementarni silicij taman, neproziran i krhak poluvodič s dijamantnom kubičnom strukturom, dok je kvarc prozirni ili poluprozirni silicijev dioksid, a silikon sintetski polimer.
Podrijetlo naziva seže do riječi povezanih s kremenom i tvrdim kamenom. Rani su kemičari shvatili da silicijev dioksid vjerojatno sadrži nepoznati element mnogo prije nego što su ga uspjeli izdvojiti. Suvremeni engleski oblik silicon prihvaćen je prije nego što su bili dostupni dovoljno čisti uzorci za iscrpna fizikalna istraživanja.
O prirodnom elementarnom siliciju izvještavalo se pri istraživanju rijetkih meteorita i izrazito reduktivnih okoliša na Zemlji, no takvi su nalazi obično mikroskopski i potrebno ih je potvrditi analitičkim ispitivanjima. Uzorak veličine dlana označen kao „silicij” gotovo je uvijek industrijski materijal: metalurški silicij, polikristalni silicij, kristal uzgojen iz taline, pločica ili obrađena komponenta.
Elementarni silicij
Kovalentni kristal sastavljen isključivo od atoma silicija, osim primjesa za dopiranje, nečistoća, površinskog oksida i slojeva nastalih tijekom obrade.
Silicijev dioksid
Kristalni, staklasti, opalni ili visokotlačni oblici silicijeva dioksida. Njegov kisikov kostur određuje sasvim drukčija optička i kemijska svojstva.
Silikatni minerali
Minerali u kojima se tetraedri silicija i kisika povezuju s aluminijem, magnezijem, željezom, kalcijem, natrijem, kalijem i drugim elementima.
Legure silicija
Ferrosilicij i legure aluminija i silicija sadrže znatne količine silicija, ali imaju svojstva višefaznih metalnih materijala, a ne čistih poluvodiča.
Silikoni
Industrijski proizvedeni polimeri čija fleksibilnost, svojstva brtvljenja, toplinska stabilnost i površinska svojstva ovise o glavnom lancu Si–O s organskim bočnim skupinama.
Terminologija kolekcionara
U opisima treba navesti je li uzorak metalurške čistoće, polikristalni silicij, monokristalni ili polikristalni, materijal za izradu pločica, presvučen, dopiran ili obrađen.
Atomska arhitektura: zašto četiri veze sve mijenjaju
Pri uobičajenom tlaku kristalni silicij ima kubičnu strukturu dijamantnog tipa. Svaki se atom povezuje s četiri susjedna atoma smještena u smjerovima vrhova tetraedra. Ta otvorena, usmjerena mreža objašnjava krhkost silicija, njegovo cijepanje, poluvodičku strukturu energetskih vrpci, relativno malu gustoću i neuobičajeno širenje pri skrućivanju.
Tetraedarska koordinacija
Svaki atom silicija tvori četiri snažne kovalentne veze, čiji idealni međusobni kut iznosi oko 109,5°. Ta se geometrija ponavlja u kristalu u tri dimenzije.
Kubična rešetka dijamantnog tipa
Ova se struktura može opisati kao dvije međusobno prožete kubične plošno centrirane podrešetke, pomaknute jedna u odnosu na drugu.
Raslojavanje i lom
Monokristali se mogu cijepati duž ravnina {111}. Na krhotinama se vide i zakrivljene školjkaste lomne površine, osobito ondje gdje lom ne slijedi jednu jasno određenu ravninu.
Širenje pri skrućivanju
U tekućem siliciju atomi su gušće raspoređeni nego u otvorenoj tetraedarskoj strukturi krutog silicija, pa se materijal širi pri skrućivanju – neobično svojstvo koje dijele i voda te nekoliko srodnih materijala.
Strukture pod visokim tlakom
Pod utjecajem iznimno visokog tlaka silicij prelazi u gušće faze metalnih svojstava. To pokazuje da električna svojstva ovise ne samo o sastavu nego i o rasporedu atoma.
Izotopni sastav
U prirodnom siliciju prevladava ²⁸Si, a ²⁹Si i ³⁰Si zastupljeni su u manjim količinama. Izotopno pročišćavanje važno je u preciznoj mjeriteljstvu i nekim istraživanjima kvantnih uređaja.
Monokristal
Jedna neprekinuta kristalografska orijentacija omogućuje predviđanje elektroničkog prijenosa, kontrolu cijepanja i ponovljivost proizvodnje uređaja.
Polikristalni silicij
Mnoga zrna različitih orijentacija dodiruju se na granicama koje mogu zarobljavati naboj, raspršivati nositelje naboja, nakupljati nečistoće ili olakšavati lom.
Amorfni silicij
Nema dugodosežnog reda. U tankoslojnoj elektronici brojni viseći kemijski spojevi obično se pasiviziraju vodikom.
Porozni i nanostrukturirani silicij
Kontroliranim jetkanjem ili rastom stvaraju se pore, žice, čestice i fotonske strukture čija se svojstva razlikuju od svojstava masivnog kristala.
Silicij na Zemlji: tetraedri, trošenje, sedimenti i život
Silicij je drugi najzastupljeniji element u Zemljinoj kori po masi, ali većina ga je povezana s kisikom. Tetraedar SiO₄ jedna je od najvažnijih strukturnih jedinica u mineralogiji; ti se tetraedri povezuju na različite načine i tvore stijene od plašta do površine kontinenata.
| Strukturni raspored | Kako se tetraedri povezuju | Tipični materijali |
|---|---|---|
| Izolirani tetraedri | Svaka jedinica SiO₄ ostaje zasebna i povezuje se s drugima preko drugih kationa. | Olivin, granat, cirkon i mnogi minerali plašta ili metamorfni minerali. |
| Dvostruke skupine i prstenovi | Tetraedri dijele određene atome kisika i tvore dvostruke jedinice ili zatvorene prstenove. | Strukture skupine epidota, beril, turmalin i srodni minerali. |
| Jednostruki lanci | Svaki tetraedar dijeli dva atoma kisika duž lanca koji se proteže u jednom smjeru. | Pirokseni, poput augita, diopsida i enstatita. |
| Dvostruki lanci | Dva lanca tetraedara povremeno se spajaju u šire pojaseve. | Amfiboli, poput rogovače i tremolita. |
| Slojevi | Kiekvienas tetraedras dalijasi trimis deguonies atomais ir sudaro plačius sluoksnius. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasai | Sva četiri vrha tetraedra sudjeluju u trodimenzionalnoj mreži. | Feldspati, feldšpatoidi, zeoliti, kvarc i kvarcno staklo. |
Magmatske stijene
Sadržaj silicija i zasićenost silicijevim dioksidom pomažu odrediti viskoznost magme, mineralni sklop, način erupcije te hoće li kristalizirati kvarc, feldspat, piroksen, olivin ili feldšpatoidi.
Trošenje i tlo
Trošenjem silikata oslobađa se otopljena silicijeva kiselina i nastaju minerali gline, dok se tijekom geoloških razdoblja troši atmosferski ugljikov dioksid.
Pijesak i sedimenti
Kvarc opstaje kroz mnoge cikluse trošenja i nakuplja se u pijesku, pješčenjaku, obalnim sedimentima, dinama i riječnim sustavima.
Biogeni silicijev dioksid
Dijatomeje, radiolarije, mnoge spužve i biljni fitoliti tvore strukture od hidratiziranog ili amorfnog silicijeva dioksida preuzetog iz vode ili tla.
Ponašanje silicija u Zemljinoj unutrašnjosti
U plaštu je silicij sastavni dio visokotlačnih silikata. Pri još većem tlaku mijenja se koordinacija i stabiliziraju se guste strukture.
Dijageneza silicijeva dioksida
Biogeni opal i vulkansko staklo zakopani pod sedimentima mogu se preobraziti u opal-CT, kalcedon ili kvarc, mijenjajući poroznost i čvrstoću stijene.
Fizička, toplinska, kemijska i optička svojstva
Referentne vrijednosti ovise o temperaturi, orijentaciji kristala, koncentraciji nečistoća, gustoći nositelja naboja, strukturi zrna i površinskoj obradi. Stoga su svojstva monokristala poluvodičke kvalitete ponovljivija od svojstava komada metalurškog silicija koji sadrži željezo, aluminij, kalcij, ugljik i druge nečistoće.
| Svojstvo | Tipična vrijednost ili ponašanje | Praktično značenje |
|---|---|---|
| Atomski broj | 14. | Određuje položaj silicija u 3. periodi između aluminija i fosfora te u skupini ugljika. |
| Standardna atomska masa | 28,085. | Odražava prirodnu smjesu triju stabilnih izotopa. |
| Kristalni sustav | Kubični sustav, struktura dijamanta; prostorna grupa Fd3̅m. | Određuje cijepivost, anizotropna mehanička svojstva, elektroničke energetske vrpce i orijentaciju pločice. |
| Gustoća | Oko 2,329 g/cm³ pri temperaturi bliskoj sobnoj. | Lakši od galenita, hematita, silicijeva karbida i većine sličnih materijala metalnog izgleda. |
| Tvrdoća | Oko 6,5–7 prema Mohsovoj ljestvici. | Otporan na ogrebotine običnim čelikom, ali mogu ga ogrebati kvarc, korund, dijamant i tvrda abrazivna prašina. |
| Kalanje i lom | Izraženo kalanje duž ravnina {111}; u drugim smjerovima lom je školjkast ili nepravilan. | Tanke plosnate pločice i oštri ulomci mogu naglo puknuti pri savijanju ili pritisku na rub. |
| Talište | Oko 1414 °C. | Omogućuje uzgoj kristala iz taline, ali za to su potrebni kontrolirani sustavi za proizvodnju kristala otporni na visoke temperature. |
| Vrelište | Oko 3265 °C. | Važno pri obradi na visokim temperaturama i kontroli onečišćenja u parnoj fazi. |
| Toplinska vodljivost | Oko 148 W/m·K za monokristal visoke čistoće pri temperaturi bliskoj sobnoj. | Velika u usporedbi s drugim poluvodičima i tvrdim materijalima nalik keramici, ali manja nego kod bakra ili srebra. |
| Toplinsko širenje | Mala; njezino usmjereno svojstvo ograničeno je kubičnom kristalnom rešetkom. | Koristan je u preciznim instrumentima, iako pločice ipak mogu puknuti zbog temperaturnih gradijenata. |
| Širina zabranjenog pojasa | Neizravni zabranjeni pojas širine približno 1,12 eV na sobnoj temperaturi. | Prikladan je za elektroniku i pretvaranje Sunčeve energije u električnu energiju, no svjetlost emitira manje učinkovito od poluvodiča s izravnim zabranjenim pojasom. |
| Optika vidljive svjetlosti | Snažno apsorbira svjetlost i u uobičajenom masivnom obliku izgleda neprozirno. | Polirane pločice ispod površinskih premaza izgledaju tamnosivo, smeđesivo ili gotovo crno. |
| Infracrvena optika | Visok indeks loma i propusnost prikladna za praktičnu uporabu u nekim područjima bliskog i srednjeg infracrvenog zračenja. | Omogućuje izradu infracrvenih leća, prozorčića, senzora i uređaja integrirane fotonike. |
| Prirodni površinski oksid | U zraku se spontano stvara tanak sloj silicijeva oksida; deblji oksidni sloj visoke kvalitete industrijski se uzgaja ili nanosi. | Pasivira površinu i tvori tehnološki vrijedan spoj. |
| Kemijska svojstva | Zbog površinskog oksida stabilan je u vodi i na sobnoj temperaturi otporan na mnoge kiseline; na njega djeluju specijalizirana sredstva za jetkanje i jake lužine. | Čišćenje kućanskim sredstvima obično nije potrebno; tako se mogu oštetiti premazi ili metalizirani slojevi. |
Fizika poluvodiča: nositelji naboja, dopanti, spojevi i međufazne granice
U čistom kristalnom siliciju na sobnoj temperaturi ima vrlo malo pokretljivih nositelja naboja u usporedbi s metalom. Njegova se praktična korist očituje kada temperatura, svjetlost, električna polja i pažljivo odabrane primjese mijenjaju broj i kretanje elektrona i šupljina.
Intrinzični silicij
Toplinska energija povremeno prenosi elektron preko zabranjenog pojasa, ostavljajući pokretljivo prazno stanje koje se naziva šupljina. Elektrona i šupljina ima jednak broj.
Silicij n-tipa
Atomi donori, primjerice fosfor, arsen ili antimon, daju elektrone koji se kristalom kreću lakše od vlastitih nositelja naboja.
Silicij p-tipa
Atomi akceptora, najčešće bora, stvaraju pokretne šupljine koje u strukturi valentne vrpce djeluju kao nositelji pozitivnog naboja.
p–n spoj
Na mjestu dodira područja p-tipa i n-tipa preraspodjelom naboja nastaje unutarnje električno polje. Rad dioda, fotodioda, tranzistora i solarnih ćelija ovisi o svojstvima tog spoja.
MOS spoj
Sloj oksida ili sličnog dielektrika, formiran u kontroliranim uvjetima, odvaja elektrodu upravljačkog priključka od silicija. Električna polja na spoju zatim stvaraju ili uklanjaju vodljivi kanal.
Defekti i zamke
Vakancije, dislokacije, nečistoće, granice zrna, nesaturirane veze i onečišćene površine mogu hvatati naboj ili skratiti životni vijek nositelja naboja.
| Stanje materijala | Većinski nositelji naboja | Način dobivanja | Uobičajena primjena |
|---|---|---|---|
| Intrinzični silicij | Jednak broj elektrona i šupljina stvorenih toplinskim putem. | Izrazito čisti kristal bez namjerno uvedenih električki aktivnih dopanata. | Referentna točka za procjenu svojstava, materijal detektora i početna osnova za projektiranje uređaja. |
| Silicij n-tipa | Elektroni. | Namjerno dopiranje donorskim nečistoćama, često fosforom, arsenom ili antimonom. | Područja tranzistora, kontakti, diode, senzori i strukture solarnih ćelija. |
| Silicij p-tipa | Šupljine. | Namjerno dopiranje akceptorskim nečistoćama, najčešće borom. | Podloge, područja tranzistora, spojevi, senzori i fotonaponski uređaji. |
| Kompenzirani silicij | Određuje je ravnoteža donorskih i akceptorskih atoma. | Prisutne su obje vrste dopanata, namjerno uvedene ili unesene onečišćenjem. | Precizna kontrola specifičnog otpora ili kompenzacija učinka neželjenih nečistoća. |
| Degenerirano dopirani silicij | Vrlo velika koncentracija elektrona ili šupljina. | Intenzivno dopiranje implantacijom, difuzijom ili tijekom rasta kristala. | Kontakti niskog otpora i područja koja djelomično imaju svojstva vodiča. |
Od kvarca do kristala za elektroniku
Proizvodnja silicija slijed je faza u kojima se kemijski sastav i struktura sve preciznije kontroliraju. Kvarc se reducira u metalurški silicij, koji se pročišćava hlapljivim spojevima, taloži kao polisilicij, kristalizira u ingot i reže na pločice, a zatim se u njemu tijekom stotina strogo kontroliranih tehnoloških faza oblikuju strukture.
- Karbotermačka redukcijaKvarc ili kvarcit visoke čistoće reagira s ugljikom u peći s uronjenim električnim lukom. Pojednostavljena ukupna reakcija: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silicij metalurške čistoćeProizvod dobiven u peći obično sadrži oko 98–99 % silicija, a količina nečistoća i dalje je znatno prevelika za naprednu elektroniku.
- Kemijska pretvorbaKemijskim reakcijama silicij se pretvara u hlapljive klorsilane ili silan, pa se može više puta destilirati i kemijski pročistiti.
- Taloženje polisilicijaPročišćeni plinovi razgrađuju se na zagrijanim površinama ili u sustavima s fluidiziranim slojem te tvore ultr čiste šipke ili granule.
- Uzgoj kristalaVučom kristala Czochralskijevom metodom ili pročišćavanjem zonskim taljenjem bez lonca dobivaju se monokristali kontroliranih svojstava; lijevanjem ili usmjerenim skrućivanjem dobiva se polikristalni materijal.
- Proizvodnja pločicaPrije početka proizvodnje uređaja ingoti se orijentiraju i režu na pločice, rubovi im se zaobljuju, a površine zaglađuju, jetkaju i poliraju.
Kvarc se reducira na visokoj temperaturi
U kemijskim reakcijama u električnoj peći tvari koje sadrže ugljik uklanjaju kisik, pri čemu nastaje rastaljeni silicij s kontroliranom, ali još uvijek velikom količinom nečistoća.
Silicij se pretvara u plinove pogodne za pročišćavanje
Hlapljivi spojevi omogućuju kemijsko odvajanje bora, fosfora, metala, ugljikovih kemijskih čestica i drugih onečišćujućih tvari.
Taloži se ultr čisti polisilicij
Čistoća s mnogo devetki u postotnom izrazu postiže se zato što se u svakoj fazi obrade uklanjaju ili odvajaju nečistoće koje bi inače promijenile životni vijek nositelja naboja i specifični otpor.
Određuje se orijentacija kristala
Kristal sjemena usmjerava rast tako da se u ingotu koji raste očuva odabrana orijentacija i kontrolira koncentracija dopanata.
Ingot se pretvara u pločice
Rezanje žičanom pilom daje tanke diskove. Obradom rubova, kemijskim jetkanjem i kemijsko-mehaničkim poliranjem stvara se ravna površina s malo defekata.
Uređaji se oblikuju u slojevima
Oksidacijom, taloženjem, litografijom, jetkanjem, implantacijom, difuzijom, čišćenjem, žarenjem i metalizacijom stvaraju se elektroničke strukture po cijeloj pločici.
Industrijski oblici, vrste kristala i kolekcionarski uzorci
Uzorci elementarnog silicija obično su proizvodi proizvodnje, a ne nalazi s geoloških ekspedicija. Stoga su najkorisniji podaci o njihovu podrijetlu industrijske prirode: proizvodni proces, razred čistoće, metoda uzgoja, orijentacija kristala, prevlaka, proizvođač, datum i izvorna namjena.
Metalurški silicij
Tamni komadi čeličnosive boje sa sjajnim površinama loma, nejednoliko raspoređenim nečistoćama, staklastim lomom i povremeno plavičastom ili brončanom površinskom prevlakom.
Polisilicijeva šipka
Istaloženi silicij visoke čistoće čija je površina oko središnje niti matirana, kvrgava, zrnata ili nalik cvjetači.
Granule polikristalnog silicija
Sitne rastresite čestice proizvedene tako da se njima lako rukuje i da se lako tale pri uzgoju kristala ili proizvodnji fotonaponskih uređaja.
Monokristalni ingot
Cilindrični kristal ili kristal drugog oblika, čija se orijentacija, promjer, sadržaj kisika, primjesa za dopiranje i električni otpor pomno kontroliraju.
Zrcalno polirana pločica
Tanka, iznimno ravna pločica s urezom ili ravnim odsječkom na rubu za određivanje orijentacije. Boju mogu davati oksidni, nitridni ili fotorezistni filmovi ili višeslojna prevlaka.
Polikristalna pločica
Presjek s mnogo kristalnih zrna, često istaknutih nagriženim granicama, usmjerenom teksturom ili različitim odrazom svjetlosti.
Dendritski silicij
Razgranati kristalni oblici uzgojeni iz taline kontroliranim hlađenjem, a ne nastali uobičajenim rastom minerala u prirodi.
Film amorfnog silicija
Tanak istaloženi sloj koji se upotrebljava u elektronici, detektorima, zaslonima i fotonaponskim strukturama, a ne zaseban kolekcionarski kristal.
Silicij uzgojen Czochralskijevom metodom
Uzgojen iz taline silicijeva dioksida u loncu. Sadržaj kisika može se kontrolirati jer utječe na mehaničku čvrstoću i ponašanje defekata.
Silicij uzgojen metodom zonskog taljenja bez lonca
Uska rastaljena zona pomiče se duž šipke bez upotrebe lonca, čime se dobiva silicij iznimno niskog sadržaja kisika i visokog električnog otpora.
Polikristalni silicij za solarne ćelije
Tradicionalno se lijevao u blokove koji sadržavaju mnogo kristalnih zrna. Zbog granica zrna i nečistoća nužni su pasivacija i pomno projektiranje solarnih ćelija.
Tehnološki obrađen čip
Odrezani komadić pločice s tranzistorima, senzorima, spojnim vodičima, optičkim strukturama ili testnim uzorcima. Vidljive boje uglavnom potječu od površinskih filmova.
Povijesna pločica
Pločica s dokumentiranim podrijetlom, povezana s prepoznatljivim istraživačkim programom, proizvodnom linijom, generacijom uređaja ili institucijom, može imati tehnološku važnost koja nadilazi njezinu materijalnu vrijednost.
Rijedak grumen silicija
Prirodna zrnca elementarnog silicija obično su mikroskopska, mogu se identificirati analitičkim metodama i nalaze se uklopljena u meteorit ili neuobičajenu matricu zemaljskog podrijetla, a ne prodaju se kao veliki zasebni kristali.
Površinska kemija, boje tankih filmova i infracrvena svjetlost
Neprevučeni silicij prirodno nije jarko plav, ljubičast ni zlatan. Te boje obično nastaju refleksijom svjetlosti od gornje i donje granice tankog prozirnog filma. Čak i male promjene debljine oksida ili nitrida znatno mijenjaju interferencijsku boju.
Prirodni oksid
Izlaganjem zraku nastaje vrlo tanak sloj oksida koji kemijski pasivira površinu, ali može biti pretanak da stvori jasno vidljivu boju.
Termički oksid
Kontroliranom oksidacijom stvara se gusti sloj SiO₂, čija se debljina može mjeriti optičkim metodama i prilagoditi za izolaciju, maskiranje i upravljanje površinskim svojstvima.
Silicijev nitrid
Si₃N₄ prevlake upotrebljavaju se za pasivaciju, kontrolu mehaničkog naprezanja, maskiranje i smanjenje refleksije. Njihove interferencijske boje mogu biti slične bojama oksida ili intenzivnije od njih.
Fotorezist i procesni filmovi
Organski rezisti, metali, dielektrici i višeslojne strukture daju dodatne boje koje ne odražavaju boju samog elementarnog silicija u masi.
Prozirnost za infracrveno zračenje
Ispod apsorpcijskog ruba dovoljno čist silicij propušta dio infracrvenog spektra i ima visok indeks loma.
Apsorpcija slobodnih nositelja naboja
Visoka koncentracija primjesa za legiranje stvara pokretne nositelje naboja koji apsorbiraju infracrveno zračenje i sužavaju korisni optički prozor.
| Uočljiva značajka | Vjerojatan uzrok | Na što obratiti pozornost pri procjeni |
|---|---|---|
| Ravnomjerno čeličnosiva površina loma | Svježa površina elementarnog silicija s tankim ukrasnim površinskim filmom. | Metalurške primjese mogu potamniti površinu ili učiniti da bude mrljava. |
| Plava, ljubičasta, ružičasta ili jantarna pločica | Interferencija tankih filmova uzrokovana oksidom, nitridom, rezistom ili višeslojnom obradom. | Sama boja ne otkriva vrstu primjese za legiranje, čistoću ni namjenu uređaja. |
| Zrcalno crna polirana površina | Apsorpcija vidljive svjetlosti uz iznimno ravnu reflektirajuću površinu. | Taman izgled ne znači da je materijal amorfan ili nečist. |
| Mat iren polikristalna površina | Mnoštvo sitnih kristalnih stijenki, granica zrna, nataloženih izbočina ili tragova kemijskog jetkanja. | Tekstura može nastati tijekom proizvodnje, a ne prirodnom kristalizacijom. |
| Radijalni ili spiralni tragovi na pločici | Poliranje, čišćenje, neravnomjerno taloženje, pruge nastale rastom kristala ili ostaci iz proizvodnog procesa. | Za razlikovanje tragova proizvodnje od oštećenja može biti potreban stručni mikroskopski pregled. |
| Pravilan usjek ili ravan dio ruba | Element za orijentaciju i rukovanje oblikovan tijekom proizvodnje. | To nije oštećenje nastalo prirodnim raspadanjem. |
Područja primjene: od kemije spojeva koji tvore stijene do programabilnih površina
Važnost silicija daleko nadilazi računalne procesore. Njegovi spojevi prevladavaju u geološkim materijalima, a pročišćeni elementarni silicij upotrebljava se za pretvorbu energije, u senzorima, mehanici, optici, kemiji i preciznim mjerenjima.
Staklo i keramika
Od silicijeva dioksida i silikata proizvode se prozorsko staklo, vlakna, optičko staklo, porculan, vatrostalni materijali, glazure, laboratorijsko posuđe i tehnička keramika.
Cement i beton
Kalcijevi silikati odgovorni su za većinu hidratacije portlandskog cementa i porasta čvrstoće betona.
Integrirani sklopovi
Na silicijskim pločicama izrađuju se sustavi za logiku, memoriju, analognu elektroniku, upravljanje energijom, komunikacije i mješovite signale.
Fotonapon
Kristalni silicij apsorbira sunčevu svjetlost, odvaja svjetlošću stvorene nositelje naboja na spojevima i još uvijek je temelj većine uobičajenih solarnih modula.
MEMS i senzori
Od mikromehanički obrađenog silicija izrađuju se akcelerometri, senzori tlaka, mikrofoni, žiroskopi, sustavi za upravljanje tekućinama i rezonantne strukture.
Infracrvena optika i fotonika
Visok indeks loma i propusnost infracrvenog zračenja omogućuju izradu valovoda, modulatora, detektora, leća i integriranih optičkih sklopova.
Metalurške legure
Silicij poboljšava livljivost, deoksidira čelik, mijenja svojstva aluminijskih legura i sastavni je dio silicída otpornih na toplinu.
Silikonski materijali
Krajnji proizvodi industrijske kemije silicija uključuju brtvila, elastomere, maziva, materijale za enkapsulaciju, materijale za medicinsku primjenu i polimere otporne na toplinu.
Precizna mjeriteljstvo
Izrazito čisti kristali i kugle silicija s kontroliranim izotopnim sastavom koriste se za mjerenja dimenzija i istraživanje temeljnih konstanti.
Kvantni uređaji
Izotopiškai izčišćeni silicij može smanjiti magnetski šum oko kvantnih stanja temeljenih na spinu i pružiti dobro razvijenu proizvodnu platformu.
Prepoznavanje i materijali koje se najčešće zamjenjuje
Masivni elementarni silicij najpouzdanije se prepoznaje po skupu obilježja: maloj gustoći za materijal metalnog izgleda, krhkom školjkastom lomu, tamnosivoj boji, tvrdoj površini, izostanku metalne kovkosti i industrijskom podrijetlu. Proizvedene pločice lakše je prepoznati prema geometriji, urezu, poliranju i tehnološkim slojevima nego terenskim ispitivanjima.
Niz nedestruktivnih ispitivanja
Prije ispitivanja jedne sjajne površine pregledajte cijeli objekt. Pakiranje, oznake, tragovi obrade, urezi za orijentaciju i povezana oprema industrijskog materijala mogu pružiti više informacija od samog loma.
- Odredite vrstu objektaRazlikujte silicij dobiven u talionici, polisilicij, monokristal, pločicu, čip, presvučenu podlogu, leguru ili imitaciju.
- Okvirno procijenite gustoćuSilicij izgleda neočekivano lagan u usporedbi s galenitom, hematitom, čelikom ili silicijevim karbidom slične veličine.
- Pregledajte geometriju lomaPotražite udubljenja nalik školjci, oštre rubove, plohe koje reflektiraju svjetlost i raznolikost granica zrna.
- Ispitajte sustav površinskih slojevaUtvrdite je li boja posljedica oksida, nitrida, metala, fotorezista, onečišćenja ili dekorativnog premaza.
- Potražite zrnatu strukturuU polikristalnom materijalu mogu se vidjeti granice kristala, zrna, segregirane nečistoće i nepravilne putanje loma.
- Provjerite magnetska svojstvaČisti silicij nije feromagnetičan; snažna reakcija upućuje na ferosilicij, priljubljeni metal ili onečišćenje.
- Izbjegavajte ispitivanja grebanjem pločicaIspitivanja tvrdoće oštećuju polirane površine i mogu uzrokovati pukotine koje počinju od ruba.
- Po potrebi primijenite metode analizeRamanova spektroskopija, rendgenska difrakcija, mjerenje specifičnog električnog otpora, mjerenje propusnosti infracrvenog zračenja i metode analize sastava mogu potvrditi identitet i tehnološko stanje materijala.
| Materijal | Zašto se može činiti sličnim siliciju | Korisna razlikovna obilježja |
|---|---|---|
| Kvarc ili kvarcno staklo | Slična tvrdoća, školjkasti lom i kemijski sastav s visokim udjelom silicija. | Kvarc i kvarcno staklo su SiO₂, obično prozirni ili poluprozirni i nemetalni; elementarni silicij je taman i ne propušta vidljivu svjetlost. |
| Silicijev karbid | Tamni kovalentni materijal čije površine imaju metalni ili dugini sjaj. | SiC je znatno tvrđi i gušći; često ima izraženiji umjetni dugini sjaj ili pločaste kristale. |
| Galenitas | Švino pilkumo metalinė išvaizda ir trapumas. | Galenitas yra daug sunkesnis, minkštesnis ir pasižymi tobulu kubiniu skalumu. |
| Hematitas | Plieno pilkumo paviršiai, pasižymintys metaliniu arba pusiau metaliniu blizgesiu. | Hematitas yra tankesnis ir palieka raudonai rudą bruožą. |
| Grafitas | Tamsiai pilka spalva, pusiau metalinis blizgesys ir elektrinis laidumas. | Grafitas yra labai minkštas, riebus liesti, palieka tamsią žymę ir skyla į lanksčius žvynelius. |
| Ferosilicis | Pramoniniai tamsūs metalinio blizgesio luitai, kuriuose gausu silicio. | Didesnis tankis, galimos magnetinės savybės, metalinio lydinio fazės ir cheminė sudėtis, kurioje yra daug geležies. |
| Metalinis stiklas arba šlakas | Tamsus, šviesą atspindintis lūžio paviršius ir netaisyklinga pramoninio gaminio forma. | Burbuliukai, tekėjimo tekstūra, kintamas tankis, mišri sudėtis ir kristaliniam siliciui būdingų požymių nebuvimas. |
| Dengta stiklo plokštelė | Plokščias apskritas padėklas su spalvingomis plonosiomis plėvelėmis. | Šviesos pralaidumas ties kraštu, mažesnis tankis, lūžimo pobūdis ir optiniai tyrimai padeda atskirti stiklą nuo silicio. |
Išskyrimas, puslaidininkių mokslas ir silicio technologinių platformų iškilimas
Silicio istorija driekiasi nuo mineralų analizės iki cheminio išskyrimo, nuo trapios laboratorinės medžiagos iki itin gryno kristalo ir nuo pavienių lygintuvų iki integruotųjų sistemų. Lemiamas lūžis buvo ne vien elemento atradimas, bet ir gebėjimas valdyti jo grynumą, paviršių, kristalo defektus ir tarpfazines ribas.
Silicio dioksidas atpažįstamas kaip nežinomo elemento oksidas
Chemikai suprato, kad kvarce ir giminingose medžiagose yra komponentas, atsparus įprastiems redukcijos būdams, tačiau jį išskirti tebebuvo sunku, nes silicis sudaro stiprius ryšius su deguonimi.
Gaunamas negrynas silicis ir susiformuoja angliškas jo pavadinimas
Per ankstyvuosius redukcijos bandymus buvo gauta silicio turinti medžiaga, o angliškas pavadinimas „silicon“ pakeitė formas, tiesiogiau sudarytas pagal metalinių elementų pavadinimų pavyzdį.
Jönsas Jacobas Berzelius išskiria amorfinį silicį
Berzelius gavo ir aprašė gerokai grynesnę elementinę medžiagą, padėdamas pagrindą silicio cheminei tapatybei nustatyti.
Gaunamas kristalinis silicis
Henri Sainte-Claire Deville’is gavo kristalinį silicį, todėl tapo lengviau tirti jo blizgesį, trapumą ir struktūrą.
Silicis tampa elektroninių detektorių medžiaga
Taškinio kontakto įtaisai ir kristaliniai detektoriai parodė lyginimo reiškinį dar prieš tai, kai didelio grynumo kristalų auginimas sudarė sąlygas šiuolaikinei puslaidininkių inžinerijai.
Silicij visoke čistoće otvara put tranzistorima i praktično primjenjivim solarnim ćelijama
Pročišćavanje, kontrola legirajućih primjesa, oblikovanje spojeva i uzgoj kristala učvrstili su silicij kao sve praktičniju zamjenu za germanij.
Pasivacija površine, planarna tehnologija i MOS uređaji preoblikuju proizvodnju
Kontrolirana međufazna granica silicija i oksida omogućila je zaštitu površina, fotolitografsko oblikovanje obrisa uređaja i izradu integriranih sklopova velike gustoće elemenata.
Primjena silicija širi se na fotovoltaiku, MEMS, fotoniku, mjeriteljstvo i kvantna istraživanja
Ista proizvodna platforma danas se koristi za pretvorbu energije, mehaničke senzore, optičke sklopove, kristale s kontroliranim izotopnim sastavom i uređaje nanometarskih dimenzija.
Silicij je postao temeljni materijal ne zato što je u prirodnom stanju osobito vodljiv. Tu je ulogu stekao zato što se njegova vodljivost, površina, geometrija i međufazne granice mogu kontrolirati iznimno precizno.
Procjena, podrijetlo i relativna važnost
Ne postoji univerzalni sustav procjene kolekcionarskog silicija. Sirovi talionički ingot, šipka polisilicija, monokristal za istraživanja, proizvodna pločica, čip s oblikovanim uzorkom strujnog kruga, rana solarna ćelija, povijesni integrirani sklop i rijetko prirodno zrno procjenjuju se prema različitim prioritetima.
Identitet materijala
Potvrdite je li predmet elementarni silicij, slitina, silicijev karbid, obloženo staklo, tehnološki obrađen poluvodič ili drugi industrijski materijal.
Kristalni oblik
Zabilježite je li uzorak monokristalan, polikristalan, dendritski, u obliku amorfnog filma, porozan, napuknut, rezan, poliran ili nanesen.
Cjelovitost površine
Provjerite okrhnuća rubova, cijepanje duž ravnina kalavosti, ogrebotine, zamućenost, otiske prstiju, boju oksida, raslojavanje, koroziju i oštećenja metalizacijskog sloja.
Tehnološko podrijetlo
Proizvođač, metoda uzgoja, mjesto proizvodnje, kristalografska orijentacija pločice, legirajuća primjesa, specifični električni otpor, promjer, datum i namjena mogu biti važniji od besprijekornog izgleda.
Povijesni kontekst
Oznake istraživačkih uzoraka, generacija proizvodne tehnologije, institucija, vrsta uređaja, kućište i dokumentacija mogu pomoći u utvrđivanju tehnološke važnosti.
Prirodno podrijetlo
Tvrdnje da je riječ o čistom siliciju zahtijevaju nalazište, materijal u kojem je pronađen, analitičke dokaze i očuvanu izvornu matricu.
| Vrsta predmeta | Ključna svojstva | Što provjeriti |
|---|---|---|
| Komad metalurškog silicija | Tipičan lom, industrijsko podrijetlo, tekstura nečistoća, veličina i stabilna površina. | Je li zamijenjen ferosilicijem, sadrži li trosku, premaz ili oksidaciju, ima li oštre rubove i je li podrijetlo dokumentirano. |
| Polikristalna silicijska šipka ili granula | Morfologija taloženja, dokumentacija o čistoći, metoda proizvodnje i netaknuta struktura. | Onečišćenje, tragovi rukovanja, puknuta žica, premaz i obmanjujuće tvrdnje o prirodnom kristalu. |
| Monokristalna pločica | Promjer, orijentacija, urez, debljina, poliranje, primjesa za dopiranje, specifični otpor i metoda uzgoja. | Okrhnuti rubovi, mikropukotine, savijanje, ogrebotine, onečišćenje, premaz i nepoznata povijest obrade. |
| Pločica s uzorkom | Uzorak uređaja ili ispitivanja, proizvodni kontekst, datum, raspored čipova, dokumentacija i stanje očuvanosti površine. | Korodirani metal, raslojeni filmovi, ostaci fotorezista, okrhnut rub i nepotpuni podaci o podrijetlu. |
| Povijesni čip ili sklop | Prepoznatljiva funkcija, proizvođač, datum, kućište, institucija i tehnološki kontekst. | Izmijenjeno kućište, uklonjene oznake, krivotvorene oznake, prekinuti spojevi i nedostajuća dokumentacija. |
| Uzorak prirodnog silicija | Prirodna matrica, točno mjesto nalaza, analitička potvrda, mjerilo i povijest objavljivanja. | Industrijsko onečišćenje, materijal iz talionice, krhotine od udara, umjetno umetanje i neutemeljeno pripisivanje podrijetla. |
Njega, pohrana, izlaganje i sigurnost u radionici
Masivni elementarni silicij kemijski je stabilan u uobičajenim unutarnjim uvjetima, no rubovi su mu krhki, a obrađene površine mogu sadržavati osjetljive okside, nitride, metale, polimere ili strukture uređaja. Njega treba odabrati uzimajući u obzir cijeli predmet, a ne samo silicijsku podlogu.
Masivni komadi
Nepravilno oblikovane komade čuvajte u podstavljenim držačima, zaštitite ih od pada, a oštre lomne rubove držite podalje od susjednih uzoraka i ruku.
Neobložene pločice
Hvatate ih za rub čistim rukavicama ili prikladnim alatom za rukovanje pločicama. Izbjegavajte savijanje, pritiskanje rubova, slaganje bez pregrada i dodir s abrazivnim česticama.
Obložene pločice
Nemojte pretpostavljati da je šarena površina otporna na vodu, alkohol, otapalo, deterdžent ili brisanje. Vidljivi film može biti mekši i manje stabilan od silicija.
Obrađeni uređaji
Metalni vodovi, kontaktne površine, polimeri i kućišta sklopova mogu korodirati ili se raslojiti. Aktivnim elektroničkim uređajima može biti potrebna i zaštita od elektrostatičkog pražnjenja.
Kontrola prašine
Nemojte suho brusiti silicij, trljati ga brusnim papirom, bušiti ni drobiti bez poduzimanja mjera opreza. Primijenite odgovarajuće mokre postupke ili lokalno usisavanje te koristite odgovarajuću zaštitu za oči i dišne putove.
Industrijski otpad nepoznatog podrijetla
Na obrađenom materijalu mogu biti metalni filmovi, primjese za legiranje, ostaci, lem, fotorezist ili onečišćenja koja nisu vidljiva pri pogledu na prednju površinu.
| Opasnost | Moguće posljedice | Način prevencije |
|---|---|---|
| Udarac u rub | Okrhnuće, radijalne pukotine, širenje loma i oštri ulomci. | Upotrebljavajte podstavljene potpore i držače koji ne dodiruju rubove te ih čuvajte odvojeno. |
| Savijanje pločice | Iznenadni potpuni lom uslijed blagog savijanja ili već postojećeg oštećenja ruba. | Podižite uz ravnomjernu potporu i nikada nemojte silom gurati pločicu u tijesan držač. |
| Abrazivna prašina | Nepovratne ogrebotine, zamućenje, gubitak sjaja polirane površine i oštećenje tankih filmova. | Prije brisanja uklonite labave čestice čistom ručnom puhaljkom ili kontroliranom beskontaktnom metodom. |
| Kućno otapalo ili sredstvo za čišćenje | Bubrenje rezista, gubitak premaza, korozija metala, ostaci i promjena interferencijske boje. | Na obrađenim površinama nemojte primjenjivati proizvoljno odabrane metode kemijskog čišćenja. |
| Temperaturni gradijent | Pucanje uslijed naprezanja, raslojavanje filmova i oštećenje metalizacije. | Izbjegavajte plamen, paru, grijaće ploče, snažne svjetiljke i nagle promjene temperature. |
| Elektrostatičko pražnjenje | Oštećenje aktivnih ili povijesno značajnih aktivnih sklopova. | Ako je uređaj još uvijek električki aktivan ili nezaštićen, pri radu s njim koristite antistatičke mjere. |
| Suho rezanje ili brušenje | Oštre čestice koje se šire zrakom i potencijalno zapaljivi fini prah. | Primijenite mjere za kontrolu prašine primjerene profesionalnom radu i izbjegavajte obradu otpada s nepoznatim premazima. |
| Nestabilno pričvršćivanje | Klizanje pločice, pritisak na rubove, lomljenje i trošenje trenjem o tvrde stezaljke. | Upotrebljavajte široke potpore od inertnih materijala koje ne uzrokuju točkasto opterećenje. |
Dokumentiranje i odgovoran opis
Detaljan opis uzorka silicija zasebno navodi elementarni sastav, razred čistoće, kristalnu strukturu, industrijski oblik, povijest tehnološkog procesa, premaz, stanje uređaja, prirodno podrijetlo i stanje. Sam naziv „kristal silicija” može prikriti većinu informacija koje uzorku daju značenje.
Identitet materijala
Navedite je li riječ o elementarnom siliciju, ferosiliciju, silicijevu karbidu, prevučenom siliciju, staklenoj podlozi, polisiliciju ili drugom odobrenom materijalu.
Kristaličnost
Dokumentirajte monokristalnu, višekristalnu, polikristalnu, amorfnu, poroznu, dendritsku ili nepoznatu strukturu.
Metoda uzgoja i pročišćavanja
Ako je poznat, navedite metalurško taljenje, taloženje Siemensovim postupkom, proizvodnju granula u fluidiziranom sloju, uzgoj Czochralskijevim ili postupkom plutajuće zone, lijevanje ili taloženje filma.
Elektroničke karakteristike
Sačuvajte podatke o kristalografskoj orijentaciji, dopantu, tipu vodljivosti, specifičnom otporu, promjeru, debljini, ravnosti, klasi udjela kisika i namjeni u uređajima.
Struktura površinskih slojeva
Opišite je li površina nepokrivena, oksidirana, nitrirana, metalizirana, prekrivena fotorezistom, pasivirana, uzorkovana ili jetkana, odnosno nalazi li se uzorak u kućištu.
Podrijetlo i stanje
Sačuvajte podatke o proizvođaču, ustanovi, projektu, datumu, pakiranju, prethodnoj uporabi, okrhnutim rubovima, ogrebotinama, onečišćenju, popravcima i fotografijama.
Suvremena simbolika i značenje promišljanja
Suvremena simbolička tumačenja silicija mogu se izravno oslanjati na njegova stvarna materijalna svojstva: četverostruku strukturu veza, kontrolirane dopante, selektivnu vodljivost, sučelja slojeva, precizno oblikovanje uzoraka te pretvaranje obilne mineralne sirovine u preciznu kristalnu platformu. Ove su teme suvremena promišljanja, a ne tvrdnje o drevnim tradicijama silicija.
Najprije struktura, zatim složenost
Ogroman elektronički sustav počinje ponavljajućim lokalnim vezama: svaki je atom predvidljivo povezan s četiri susjedna atoma.
Mali dodaci, velik učinak
Vrlo niske koncentracije dopanata mogu promijeniti vodljivost za nekoliko redova veličine, podsjećajući da pažljivo odabrani dodaci imaju veći učinak od neselektivnog obilja.
Sučelja stvaraju funkciju
Granica između silicija i izolacijskog sloja ne služi samo odvajanju: upravo se tu omogućuju kontrolirani kanali i uređaji.
Pročišćavanje kao selekcija
Čistoća potrebna za elektroniku postiže se ponavljanjem odvajanja i mjerenja, a ne jednim spektakularnim postupkom uklanjanja.
Ograničenja definirana uzorkom
Korisni strujni krug ne provodi struju posvuda. Usmjerava kretanje kroz ciljano oblikovana područja, barijere i spojeve.
Površina i unutrašnjost
Boju pločice može odrediti film debljine svega nekoliko nanometara, podsjećajući da su vanjski izgled i struktura koja se krije ispod njega povezani, ali nisu isto.
Pregled pločice i Mjeseca
- Odaberite jedan sustav koji djeluje složeno jer se svaki njegov dio smatra jednako vodljivim.
- Odredite osnovnu strukturu koja mora ostati stabilna.
- Navedite jedan doprinos koji treba povećati, jednu nečistoću koju treba ukloniti i jednu granicu koju treba ojačati.
- Odredite gdje bi kretanje trebalo biti lako, a gdje je otpor koristan.
- Odaberite jednu mjerljivu radnju koja bi promijenila sustav, a da ga ne preuređuje u cijelosti.
- Nakon jednog potpunog ciklusa procijenite rezultat i mijenjajte samo jednu varijablu odjednom.
Nastavite čitati specijalizirane vodiče o siliciju
Silicij se može upoznati kroz kristalografiju elementarnog silicija, optiku poluvodiča, geologiju, industrijsko pročišćavanje, polikristalnu strukturu, povijest tehnologije, suvremenu simboliku i praksu promišljanja.
Često postavljana pitanja
Je li silicij metal?
Silicij se obično svrstava među metaloide. Njegova površina izgleda metalno, no riječ je o poluvodiču s kovalentnim vezama čija vodljivost mnogo više ovisi o temperaturi i primjesama za dopiranje nego kod uobičajenog metala.
Jesu li silicij i silicijev dioksid isto?
Ne. Silicij je kemijski element Si. Formula silicijeva dioksida je SiO₂; u njega se ubrajaju kvarc, kristobalit, tridimit, opal, silicijsko staklo i visokotlačni oblici.
Jesu li silicij i silikon isto?
Ne. Silikoni su skupina sintetičkih polimera čiju okosnicu čine naizmjenično poredani atomi silicija i kisika, s organskim bočnim skupinama vezanima za nju. Silikonska guma, ulje, smola i brtvilo nisu elementarni silicij.
Zašto je samorodni silicij tako rijedak?
Silicij stvara čvrste veze s kisikom i lako ulazi u strukture silicijeva dioksida i silikata. Za nastanak prirodnog elementarnog silicija potrebni su neuobičajeno reduktivni uvjeti, a njegovi su nalazi obično mikroskopski.
Zašto silikonska pločica izgleda plavo ili ljubičasto?
Boja obično nastaje zbog interferencije u tankom oksidu, nitridu, fotorezistu ili višeslojnom filmu. Sam nepokriveni polirani silicij tamnosiv je do gotovo crn.
Zašto se silicij upotrebljava za računalne čipove?
Silicij ima prikladnu širinu zabranjenog pojasa, kvalitetan prirodni oksid koji nastaje toplinskim putem, izvrsnu pasivaciju površine, dovoljnu toplinsku vodljivost i mehaničku čvrstoću. Osim toga, sirovine su mu obilne, tehnologije pročišćavanja zrele, a proizvodne metode vrlo razvijene.
Po čemu se razlikuju silicij p-tipa i n-tipa?
Silicij p-tipa sadrži akceptorske primjese, zbog kojih šupljine postaju većinski nositelji naboja. Silicij n-tipa sadrži donorske primjese, zbog kojih elektroni postaju većinski nositelji naboja.
Što je šupljina?
Šupljina je efektivni pozitivni nositelj naboja povezan s nedostatkom elektrona u stanju valentnog pojasa. Ponaša se kao da se pozitivni naboj kreće kroz kristal.
Što je polisilicij?
Polisilicij je visokopročišćeni polikristalni elementarni silicij. Obično se taloži u obliku šipki, komada ili granula, a zatim se tali za proizvodnju pločica ili solarnih ćelija.
Po čemu se razlikuju polikristalni i monokristalni silicij?
U monokristalnom siliciju u cijelom aktivnom volumenu zadržava se jedna kristalna orijentacija. Polikristalni silicij sastoji se od mnogo zrna odvojenih granicama koje utječu na lom, raspodjelu nečistoća i prijenos nositelja naboja.
Kas yra amorfni silicij?
Amorfni silicij nema dalekosežni kristalni red i obično se nanosi u obliku tankog filma. Često mu se dodaje vodik kako bi se pasivirale nezasićene veze i poboljšala elektronička svojstva.
Što je silicij uzgojen Czochralskijevom metodom?
To je monokristalni silicij koji se uzgaja polaganim izvlačenjem i okretanjem kristalnog sjemena iz rastaljenog silicija u lončiću od silicijeva dioksida. Tom se metodom proizvodi većina uobičajenih velikih poluvodičkih pločica.
Što je silicij dobiven zonskim taljenjem bez lončića?
Silicij dobiven zonskim taljenjem bez lončića pročišćava se i kristalizira pomicanjem uske rastaljene zone duž silicijske šipke, bez uporabe lončića. Tako se može postići vrlo nizak udio kisika i velik specifični otpor.
Zašto silicij ne propušta vidljivu svjetlost, ali je prikladan za infracrvenu optiku?
Fotoni vidljive svjetlosti obično imaju dovoljno energije da ih silicij apsorbira pri elektroničkim prijelazima. Infracrveni fotoni niže energije mogu prolaziti kroz dovoljno čist materijal u određenom rasponu valnih duljina, koji ovisi o primjeni.
Provodi li silicij prirodno električnu struju?
Na sobnoj temperaturi čisti silicij slabo provodi električnu struju u usporedbi s metalom. Toplina, svjetlost, defekti i ciljano dopiranje mogu znatno povećati njegovu vodljivost.
Zašto se vodljivost silicija povećava pri zagrijavanju?
Toplina pobuđuje više elektrona kako bi prešli zabranjeni pojas, čime nastaje više parova elektron-šupljina. Porast broja nositelja naboja može nadmašiti smanjenje pokretljivosti uzrokovano vibracijama rešetke.
Može li elementarni silicij izgrebati staklo?
Oštar rub silicija može izgrebati mnoge uobičajene vrste stakla jer mu je tvrdoća oko 6,5–7 po Mohsovoj ljestvici. Nije potrebno provjeravati tvrdoću proizvedene pločice ili dokumentiranog uzorka, a takav ih test nepovratno oštećuje.
Zašto se silicij tako lako lomi iako je tvrd?
Tvrdoća označava otpornost na ogrebotine, a ne na lomljenje. Rešetka silicija s usmjerenim kovalentnim vezama kruta je, ali krhka, a tanke su pločice osjetljive na nedostatke rubova i savijanje.
Može li se silicij čistiti vodom?
Nepremazani masivni silicij podnosi kratak dodir s vodom, no obrađene pločice mogu sadržavati filmove, metale, polimere ili ostatke koji to ne podnose. Za neidentificirani obrađeni uzorak sigurniji je početni izbor suho čišćenje bez dodira.
Mogu li polirati slomljenu silicijsku pločicu?
Poliranjem se uklanja postojeća površina, a može se uništiti i boja koju daje oksid, slojevi uređaja, oznake podrijetla i geometrija rubova. Pritom nastaje i fina prašina, stoga tomu ne treba olako pristupati.
Je li silicijev karbid alotropna modifikacija silicija?
Silicijev karbid sadrži silicij, ali je zaseban spoj formule SiC. Tvrđi je, gušći i otporniji na toplinu, a njegova se elektronička svojstva razlikuju od svojstava elementarnog silicija.
Što znači urez na pločici?
Urez se oblikuje tijekom proizvodnje kako bi se lakše odredila orijentacija pločice i rukovalo njome. Pomaže automatiziranoj opremi pri orijentiranju pločice i označava referentni kristalografski smjer.
Može li se prema boji oksida odrediti točna debljina filma?
Pri kontroliranom osvjetljenju boja može približno ukazivati na debljinu, no za njezino precizno određivanje potrebno je kalibrirano optičko mjerenje jer boja ovisi i o kutu, podlozi, indeksu loma i dodatnim slojevima.
Što treba navesti na etiketi uzorka?
Navedite kemijski element, čistoću ili razred kvalitete, monokristalni ili polikristalni oblik, metodu uzgoja, orijentaciju pločice, primjesu za dopiranje i specifični električni otpor ako su poznati, prevlaku, proizvođača, datum, prethodnu uporabu i stanje.
Završna razmatranja
Osnovu strukture silicija čini jednostavno lokalno pravilo: svaki atom tvori četiri usmjerene veze. Ponavljanjem tog pravila kroz cijeli kristal nastaje rešetka dovoljno kruta da bude temelj preciznih uređaja, ali i dovoljno krhka da pukne na oštećenom rubu. Te iste veze određuju neizravni zabranjeni pojas, umjerenu toplinsku vodljivost, visok indeks loma u infracrvenom spektru i površinu na kojoj se može oblikovati oksidni sloj uz iznimno preciznu kontrolu.
U geološkom okolišu silicij se rijetko nalazi u slobodnom obliku. Veže se s kisikom i tvori tetraedre, koji se povezuju u zasebne skupine, prstenove, lance, slojeve i okvire. Tako silicij postaje sastavni dio minerala plašta, vulkanskog stakla, granita, gline, tla, pijeska, ljuštura dijatomeja, betona, porculana i prozorskog stakla.
Industrijska obrada usmjerava tu prirodnu sklonost oksidaciji u suprotnom smjeru. Kvarc se reducira, silicij se pročišćava hlapljivim spojevima, taloži u obliku polikristalnog silicija, uzgaja se kristal kontroliranih svojstava, reže na pločice, a ponavljanjem ciklusa dodavanja i uklanjanja materijala u njima se oblikuju uzorci. Izrazito male količine primjesa za dopiranje mijenjaju električna svojstva; filmovi nanometarske debljine mijenjaju boju i međupovršine; mikroskopski nedostaci određuju hoće li uređaj raditi ili se pokvariti.
Zato sveobuhvatno razumijevanje silicija povezuje mineralogiju, kristalografiju, termodinamiku, fiziku čvrstog stanja, optiku, metalurgiju, kemiju, proizvodnju, elektroniku, energetiku, očuvanje i povijest tehnologije. Njegova posebnost nije ni prirodna električna vodljivost ni dojmljiv izgled. Poseban je po tome što se čest element koji obilno tvori stijene može pročišćavati, oblikovati njegovu strukturu i uzorke sve dok sam materijal ne postane programabilan.