Polikristályos szilícium
Linas JuozenasMegosztás
Polikristályos szilícium
A polikristályos szilícium olyan kristályos szilíciumanyag, amely sok különálló, szemcséknek nevezett szilíciumkristályból áll. Minden szemcsében az atomok rendezett gyémántrácsban helyezkednek el, a szomszédos szemcsék rácsai azonban különböző szögekben elfordulnak. Találkozási helyeiken szemcsehatárok alakulnak ki. Éppen ez a többkristályos szerkezet különbözteti meg a polikristályos szilíciumot a monokristályos szilíciumtól, és ez adja jellegzetes mozaikos felületét. Ez az anyag a kvarc nyersanyaga, a napelemek, a mikroelektronika és a nagy tisztaságú szilíciumkristályok közötti egyik legfontosabb köztes lépéssé vált.
Kémiailag ugyanaz a szilícium, azonban egyetlen megszakítás nélküli kristálytani orientáció helyett több ezer vagy akár több millió kisebb kristályos területből áll.
A tiszta kristályos szilícium szilíciumatomokból áll, amelyek egy nagyon rendezett háromdimenziós hálózatba kapcsolódnak. Egy kristályos szemcsén belül ez a rendezettség egyetlen orientációban folytatódik.
A polikristályos anyagban sok ilyen szemcse található. Az egyik néhány fokkal elfordulhat, a másik pedig teljesen más irányba nézhet. Amíg egy szemcsén belül vagyunk, a rács rendezett marad, a széléhez közeledve azonban az atomsorok már nem folytatódhatnak tökéletesen.
A találkozási helyet szemcsehatárnak nevezik. Itt egyes atomok környezete kissé eltérő, ezért ezen a helyen kristályhibák, szennyeződések és elektronállapotok koncentrálódhatnak.
Ez a különbség első pillantásra csekélynek tűnik, az elektronikában azonban fontos: az elektronok és a lyukak másképp mozognak a tökéletes kristályrácsban, mint annak számos határán keresztül.
A polikristályos szilícium lényege: minden egyes szemcse kristály, az egész anyag azonban nem egyetlen kristály, hanem sok kristály együttese.
Kristályos szemcse
A szilícium kis területe, amelyben az atomok megőrzik közös kristálytani orientációjukat.
Szemcsehatár
Két különböző irányba fordult kristályrács találkozási területe.
Szemcse
Polikristályos egység
Fizikai és elektronikus tulajdonságok
| Szürke, fényes és törékeny félvezető anyag, amelynek elektromos viselkedését erősen befolyásolja a tisztaság, a szennyeződések és a kristályos szemcsék mérete. | Vegyjel |
|---|---|
| Si | Anyagtípus |
| Polikristályos elemi félvezető | 14 |
| Atomszám | Kristályszerkezet a szemcsében |
| Gyémánttípusú köbös szerkezet | Keménység |
| Nagyjából 6,5–7 a Mohs-skálán | Körülbelül 2,33 g/cm³ |
| Olvadáspont | Körülbelül 1414 °C |
| Szín | Sötétszürke, ezüstös szürke, kékesszürke vagy fekete |
| Fényesség | Fémes vagy félfémes fényű |
| Mechanikai jelleg | Kemény, de törékeny |
| Elektronikus típus | Félvezető |
| Tiltott sávszélesség | Körülbelül 1,12 eV szobahőmérsékleten |
| Elektromos vezetőképesség | Nagymértékben függ a hőmérséklettől, a tisztaságtól és a szabályozott adalékolástól. |
| A legfontosabb szerkezeti különbség | Számos kristályorientáció és az ezeket elválasztó szemcsehatár |
Minden szilíciumatom négy szomszédjához kapcsolódik, tetraéderes hálózatot hozva létre, amely a gyémántszerkezethez hasonló.
Három irányban ismétlődő rendezettség
A kristályos szilíciumban minden atomnak négy legközelebbi szilícium-szomszédja van. A kovalens kötések térbeli tetraéderes hálózatot alkotnak, amely meghatározza a kristály geometriáját és félvezető tulajdonságait is.
Négy kötés
Minden szilíciumatomnak négy vegyértékelektronja van, és a kristályban négy erős kovalens kötést hoz létre.
Tetraéderes geometria
A szomszédos atomok tetraéderes irányokban helyezkednek el, ezért a rács nem egyszerű köbös háló.
Gyémántszerkezet
A szilícium rácstípusa megegyezik a gyémántéval, bár a szilícium atomjai nagyobbak, a kötések pedig gyengébbek, mint a szénkristályban.
Elektronállapotok
Az atomok periodikus elrendeződése vegyérték- és vezetési energiasávokat hoz létre.
A félvezető energiarése
A vegyértéksáv és a vezetési sáv között energiarés marad, ezért a szilícium sem jó fém, sem hagyományos szigetelő.
A hőmérséklet hatása
A hő elegendő energiát adhat az elektronoknak ahhoz, hogy a vezetési sávba jussanak, és növelje a vezetőképességet.
A polikristályos szilíciumban ugyanaz a gyémántrács ismétlődik minden szemcsében. Nem a helyi atomrendezettség, hanem az egész szemcse térbeli orientációja különbözik.
A polikristályos szilícium mozaikos felületét különálló kristályos tartományok hozzák létre, amelyek eltérő orientációjuk miatt különbözőképpen verik vissza a fényt.
Egy felület, számos krisztallográfiai szög
Az egyes szemcsék felületének atomjai a fénnyel, a kémiai maratással és a mechanikai megmunkálással szemben kissé eltérően orientálódnak. Emiatt a szomszédos területek világosabbnak, sötétebbnek vagy kékesebbnek tűnhetnek.
A szemcse belseje
Az atomrendezet itt meglehetősen szabályos, és közel áll az egykristály szerkezetéhez.
Riba
Susitikus dviem orientacijoms ne visi atomų ryšiai gali tęstis idealioje periodinėje sekoje.
Kristaliniai defektai
Ribose gali būti iškraipytų ryšių, dislokacijų ir kitų gardelės netobulumų.
Priemaišų kaupimasis
Kai kurie svetimi atomai energetiškai palankiau kaupiasi grūdelių ribose nei tobuloje gardelėje.
Krūvininkų rekombinacija
Elektronai ir skylės ribose gali lengviau susijungti, todėl sumažėja jų naudingo gyvavimo trukmė.
Grūdelių dydis
Kuo grūdeliai didesni, tuo mažiau ribų tenka tam pačiam medžiagos tūriui.
Grūdelių ribos nėra tiesiog matomos linijos. Jos yra tikros kristalinės sandūros, galinčios keisti elektros krūvio judėjimą, mechaninį atsaką ir priemaišų pasiskirstymą.
Kelias nuo silicio dioksido iki elektronikai tinkamos medžiagos reikalauja ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas svetimas priemaišas
Silicio dioksido žaliava
Pramoninis kelias dažniausiai prasideda nuo kvarco ar kitos labai silicio dioksido turtingos medžiagos.
Redukcija anglimi
Aukštoje temperatūroje deguonis pašalinamas, gaunant metalurginės kokybės elementinį silicį.
Silicis paverčiamas lakiais junginiais
Kad būtų galima itin tiksliai jį išgryninti, silicis chemiškai paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.
Junginiai išgryninami
Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūros ir cheminis elgesys skiriasi nuo norimo silicio junginio.
Nusodinamas grynas silicis
Aukštoje temperatūroje silicio turintis dujinis junginys suskaidomas ir elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.
Gaunamas polisilicis
Susidaro labai gryna polikristalinė silicio medžiaga, kuri vėliau gali būti lydoma ir naudojama kitoms kristalinėms formoms auginti.
Terminas „polisilicis“ pramonėje dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį – žaliavą, iš kurios vėliau auginami monokristalai arba liejami daugiakristaliai ruošiniai.
Išlydytam siliciui vėstant daugelyje vietų vienu metu atsiranda kristalų branduoliai, kurie auga tol, kol susitinka vienas su kitu
Silicis išlydomas
Virš lydymosi temperatūros ilgalaikė kristalinė tvarka išnyksta ir atomai juda skystame lydale.
Temperatūra pradeda kristi
Vėstant atsiranda sąlygos atomams vėl jungtis į kristalinę deimantinę gardelę.
Susidaro daug branduolių
Skirtingose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.
Kristalai plečiasi
Kiekvienas branduolys auga savo kristalografine orientacija, prijungdamas vis daugiau silicio atomų.
Grūdeliai susitinka
Augančių kristalų frontai pasiekia vienas kitą ir nebegali tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.
Susidaro grūdelių ribos
Visa medžiaga sukietėja į vientisą bloką, tačiau jame išlieka daugybė atskirų kristalinių orientacijų.
Ha az egész olvadékot egyetlen, megfelelően orientált kristálymagból kiinduló növekedésre kényszerítenék, és más kristálymagok nem képződnének, monokristályt lehetne előállítani. Polikristály akkor keletkezik, amikor egyszerre sok kristályos góc növekszik.
A polikristályos szilícium hozzájárult ahhoz, hogy a fotovoltaikus technológia tömegméretű energiatermelő rendszerré váljon
Fényből elektromos áramkör
A napfoton energiát adhat át a szilícium elektronjának, és a vezetési sávba emelheti. A megfelelően kialakított elektromostér-tartomány elválasztja az elektront a megmaradt lyuktól, és a töltést a külső áramkörbe irányítja.
Fotonelnyelés
A megfelelő energiájú fény egy mozgékony elektront és egy pozitív töltéshordozót – lyukat – hozhat létre.
p- és n-típusú szilícium
Különböző szennyezők szabályozott bejuttatásával eltérő töltéshordozó-koncentrációjú tartományok hozhatók létre.
p–n átmenet
A két tartomány találkozásánál kialakuló elektromos tér segít elválasztani a fény által létrehozott töltéshordozókat.
Szemcsehatár-veszteségek
Az elektronok és lyukak egy része még az elektródák elérése előtt rekombinálódhat a határfelületeken.
Nagy szemcsék
A nagyobb kristályos szemcsék csökkentik a határfelületek mennyiségét, és általában segítenek megőrizni a jobb elektronikus tulajdonságokat.
Kék felület
Számos klasszikus polikristályos napelem jellegzetes kék színét a felületi tükröződésgátló rétegek erősítik.
A polikristályos napelem nem „kevésbé kristályos”, mint a monokristályos. Belsejében rengeteg valódi kristály található – csupán eltérő a tájolásuk, és több határfelület van közöttük.
A vékony polikristályos szilíciumrétegek lehetővé teszik tranzisztorok létrehozását olyan helyeken, ahol nincs szükség tömbi monokristály használatára
Vékonyréteg-tranzisztorok
A polikristályos szilícium vékonyréteg-tranzisztorokban, kijelzőkben és más elektronikus szerkezetekben is használható.
Mikrochipkapuk
Történelmileg az erősen adalékolt poliszilíciumot széles körben használták a MOS-tranzisztorok kapuelektródáiban.
Ellenállások
A szemcsék, az adalékolás és a réteg geometriájának szabályozott kombinációjával elektromos ellenállások alakíthatók ki.
Mikromechanikai rendszerek
A polikristályos szilícium rétegei mikroszkopikus gerendákká, membránokká és mozgó szerkezetekké alakíthatók.
Érzékelők
A mechanikai és elektromos tulajdonságok lehetővé teszik a poliszilícium használatát nyomást, mozgást és más paramétereket érzékelő mikroszenzorokban.
Szabályozott adalékolás
A bór, a foszfor vagy más megfelelő szennyezők mennyiségével a szabad töltéshordozók koncentrációja sok nagyságrenddel változtatható.
Az elektronikában a „poliszilícium” szó gyakran nem egy nagy, fényes szilíciumdarabot jelent, hanem egy összetett mikrochipstruktúrába integrált, nagyon vékony polikristályos szilíciumréteget.
Abiejų medžiagų atomai vienodai kapcsolódnak, tačiau az egyikben a kristályrács szinte iránytörés nélkül folytatódik, a másikban pedig számos kristályos tartományra tagolódik
Egykristály
A tömb szinte teljes egészében egyetlen közös kristálytani orientációval rendelkezik.
Polikristály
A tömböt számos különálló kristályorientáció alkotja.
Szemcsehatárok
Az egykristályban szinte egyáltalán nincsenek ilyenek, a polikristályban viszont ezek alkotják a teljes belső hálózatot.
Elektronmozgás
Az egykristály tökéletesebb rendezettsége általában lehetővé teszi, hogy a töltéshordozók kevesebb szerkezeti akadállyal mozogjanak.
Gyártási folyamat
Az egykristályhoz egyetlen kristály növekedését kell szabályozni, míg a polikristályos anyag számos gócból szilárdulhat meg.
Megjelenés
A polikristályos felületen gyakran látható az egyes szemcsék mozaikszerű mintázata.
Az egykristály és a polikristály nem két különböző vegyi anyag. Mindkettő lehet csaknem tiszta elemi szilícium – a kristályrendezettségük léptéke különbözik.
Az az elem, amelynek vegyületei a kőzetvilág nagy részét alkotják, a digitális civilizáció egyik legfontosabb alapjává is vált
A természetben a szilícium szinte soha nem fordul elő nagy, tiszta elemi kristályok formájában, mert nagyon könnyen egyesül az oxigénnel. A kvarc, a földpátok és számos szilikát oxidált állapotban őrzi.
A szilícium ipari története azzal kezdődött, hogy képessé váltak a szilíciumot elválasztani az oxigéntől és más elemektől, később pedig egyre fejlettebb módszerekkel tisztítani.
Az elektronikai forradalomhoz nem egyszerűen szilíciumra, hanem rendkívül tiszta, szabályozott kristályszerkezetű szilíciumra volt szükség. A nem kívánt elemek igen kis mennyiségei is jelentősen megváltoztathatják a félvezető elektromos tulajdonságait.
A poliszilícium gyártása összekötő kapoccsá vált a nyersanyagok kémiája és a kristálymérnökség között. A megtisztított poliszilíciumból napelem-cellák alapanyagául szolgáló tömbök olvaszthatók, illetve a mikroelektronika számára nagy egykristályok növeszthetők.
Így a földkéreg egyik leggyakoribb eleme olyan anyaggá vált, amelynél nem a bőség, hanem a rendkívül pontosan szabályozott szerkezet és tisztaság a fontos.
A szilícium technológiai értéke akkor bontakozott ki, amikor az emberek megtanulták nemcsak kinyerni, hanem kristályának szinte minden aspektusát – a szennyeződésektől az atomok orientációjáig – szabályozni is.
Sok kristály városa
A folyékony szilíciumban csaknem ugyanabban az időben több apró kristály született.
Mindegyik a maga irányában kezdett növekedni.
„Ha nem ugyanabba az irányba fordulunk, soha nem válunk egyetlen testté” – mondta az első kristály.
A hőmérséklet azonban tovább csökkent, a kristályok pedig növekedtek.
Végül a széleik találkoztak.
A rácsok nem illeszkedtek tökéletesen. Határ alakult ki közöttük.
„Látod?” – mondta az első. „Még mindig különbözünk.”
„Igen” – válaszolta a második. „De most már nem rés a határunk. Olyan hellyé vált, ahol egyesültünk.”
Amikor az egész olvadék megszilárdult, nem egyetlen tökéletes kristály keletkezett. Milliók voltak – és együtt egy működő anyaggá váltak.
Ez nem ősi legenda. Valódi polikristályos szilíciumszemcsék növekedése ihlette kreatív történet.
A sokféle irány egysége, a sajátos struktúra megőrzésének képessége, miközben egy nagyobb rendszert hozunk létre, amely csak minden részének köszönhetően működik
A modern szimbolikus nyelvben a polikristályos szilícium a kollaborációhoz, összetett rendszerek létrehozásához, különböző képességek integrációjához és annak megértéséhez kapcsolható, hogy az egység nem feltétlenül jelent egyformaságot. Ez kreatív értelmezés, nem pedig az emberre gyakorolt, tudományosan igazolt hatás.
Önálló szemcse
Az ember életének minden része rendelkezhet saját iránnyal, és mégis egy nagyobb egészhez tartozhat.
Szemcsehatár
Két ember vagy ötlet közötti különbség nemcsak konfliktussá, hanem valódi kapcsolódási ponttá is válhat.
Kristályosodás
A rend egyszerre több helyen is kialakulhat, majd később egyetlen rendszerré kapcsolódhat össze.
Félvezető
Az a képesség, hogy szabályozzuk, mikor áramlik az energia és mikor áll le, a tudatos határokat és az irányított cselekvést jelképezheti.
Napelem
A kívülről érkező energia nemcsak elnyelhető, hanem hasznos munkává is alakítható.
Mozaikszerű egész
Egy összetett rendszernek nem kell elrejtenie a különböző részeit – néha éppen ezek hozzák létre a legérdekesebb struktúrát.
A közös struktúra rítusa
Ez a száraz, szimbolikus gyakorlat olyan helyzetekhez készült, amikor több különböző feladattal, képességgel vagy emberrel rendelkezik, és szeretné megérteni, hogyan kapcsolhatja össze őket egyetlen működő rendszerré anélkül, hogy mindenkit egyformává kényszerítene.
Amire szükség lesz
- egy polikristályos szilíciummintát;
- egy papírlapot;
- egy tollat;
- egy rendszer vagy projekt, amelyet szeretne jobban megszervezni.
Szemcsék
Rajzoljon a lapra néhány különálló területet, és mindegyikbe írja be a projekt egy részét, egy embert, egy képességet vagy egy felelősségi kört.
Irányok
Minden rész mellé jelölje meg, mit csinál a legjobban, és milyen irányt nem kellene rá erőltetve megváltoztatnia.
Határok
A szomszédos területek közé írja fel, milyen információnak, erőforrásoknak vagy döntéseknek kell átjutniuk egyikből a másikba.
Hibás területek
Jelöljön meg egy illesztést, ahol jelenleg a legtöbb idő, energia vagy egyértelműség vész el.
Erősebb kapcsolat
Válasszon egy apró változtatást, amely éppen ezt a határt javítaná: egyértelműbb szabályt, jobb információátadást vagy egyszerűbb folyamatot.
Bűbáj
Helyezze a polikristályos szilíciumot a séma közepére, és mondja ki háromszor:
Az irányokat megőrzöm, a határokat összekapcsolom,
sok részből működő egészet alkotok.
Befejezés
Mondja ki: „Az egység nem követel egyformaságot. Minden rész megőrizheti a saját irányát, én pedig megerősíthetem azokat a helyeket, ahol találkoznak.”
Gyakran felmerülő kérdések a polikristályos szilíciumról
Mi a polikristályos szilícium?
Mi a kémiai képlete?
Miben különbözik a polikristályos szilícium a monokristályostól?
Mi az a szemcsehatár?
Valódi kristály-e a polikristályos szilícium minden szemcséje?
Mekkora a szilícium keménysége?
Mekkora a sűrűsége?
Miért mozaikszerű a polikristályos szilícium megjelenése?
Mi az a poliszcícium?
Használják a polikristályos szilíciumot napelemekben?
Miért fontosak a szemcsehatárok a napelemekben?
Használják a poliszcíciumot a mikroelektronikában?
Mit jelképez a polikristályos szilícium a modern képzeletvilágban?
A polikristályos szilícium megmutatja, hogy egy működő struktúra nem a különbségek megszüntetésével, hanem azoknak a helyeknek a pontos rendezésével is létrehozható, ahol a különböző irányok találkoznak
Története ugyanazzal a szilíciumatommal kezdődik, amely a természetben leggyakrabban kvarcban és szilikátásványokban rejtőzik.
A megtisztított és megolvasztott szilícium lehűlés közben egyszerre sok helyen kezd kristályosodni.
Minden kristály a maga irányában növekszik, találkozásukkor pedig szemcsehatárokat hoznak létre, és együtt egyetlen szilárd polikristályos testté válnak.
A technológia világában ez az anyag összekapcsolja a kémiát, a kristályfizikát, a napenergiát és a mikroelektronikát. Szimbolikus értelemben arra emlékeztethet, hogy egy összetett egésznek nem feltétlenül kell egyetlen irányt követnie – néha éppen azért válik erőssé, mert sok különböző kristály megtanul együtt létezni egyetlen testben.