Polikristályos szilícium
Linas JuozėnasOszd meg
Polikristályos szilícium
A polikristályos szilícium kristályos szilíciumanyag, amely sok különálló szilíciumkristályból, úgynevezett szemcséből áll. Minden szemcsében az atomok rendezett, gyémánt típusú köbös rácsban helyezkednek el, a szomszédos szemcsék rácsai azonban különböző szögekben elfordulnak. Ahol találkoznak, szemcsehatárok alakulnak ki. Éppen ez a polikristályos szerkezet különbözteti meg a polikristályos szilíciumot a monokristályostól, és ez adja jellegzetes, mozaikos felületét. Ez az anyag az egyik legfontosabb köztes láncszemmé vált a kvarc nyersanyag, a napelemek, a mikroelektronika és a rendkívül tiszta szilíciumkristályok között.
Kémiailag ugyanarról a szilíciumról van szó, de egyetlen folytonos kristályorientáció helyett több ezer vagy akár több millió kisebb kristályos tartomány alkotja
A tiszta kristályos szilícium szilíciumatomokból áll, amelyek rendkívül rendezett, háromdimenziós hálózatba kapcsolódnak. Egyetlen kristályszemcsén belül ez a rendezettség azonos irányultságú.
A polikristályos anyagban sok ilyen szemcse található. Az egyik néhány fokkal elfordulhat, a másik pedig teljesen más irányba állhat. A szemcsén belül a rács rendezett marad, ám a széléhez közeledve az atomsorok már nem folytatódhatnak teljesen szabályosan.
A találkozási területet szemcsehatárnak nevezik. Néhány atom helyi környezete ott kissé eltérő, ezért ezeken a területeken felhalmozódhatnak a kristályszerkezet hibái, szennyeződések és elektronállapotok.
Első pillantásra ez a különbség csekélynek tűnhet, az elektronikában azonban nagyon fontos: a közel tökéletes kristályrácsban másként mozognak az elektronok és a lyukak, mint abban az anyagban, amelyet sok szemcsehatár szel át.
A polikristályos szilícium lényege: minden egyes szemcse kristály, de az egész anyag nem egyetlen kristály. Sok kristály közössége.
Kristályszemcse
A szilícium kis tartománya, amelyben az atomok közös kristálytani orientációt őriznek meg.
Grūdelių riba
Olyan tartomány, ahol két eltérő irányba fordult kristályrács találkozik.
Polikristályos egység
Sok szemcse mechanikailag összenő egymással, és egyetlen összefüggő szilíciumdarabot alkot.
Szürke, fényes, törékeny félvezető, amelynek elektromos tulajdonságait nagymértékben befolyásolja a tisztaság, a szennyeződések és a kristályszemcsék mérete
| Vegyjel | Si |
|---|---|
| Anyagtípus | Polikristályos elemi félvezető |
| Atomszám | 14 |
| Kristályszerkezet a szemcsén belül | Gyémánt típusú köbös szerkezet |
| Keménység | Körülbelül 6,5–7 a Mohs-skálán |
| Sűrűség | Körülbelül 2,33 g/cm³ |
| Olvadáspont | Körülbelül 1414 °C |
| Szín | Sötétszürke, ezüstszürke, kékesszürke vagy csaknem fekete |
| Fényesség | Fémestől félfémesig |
| Mechanikai tulajdonságok | Kemény, de törékeny |
| Elektrontípus | Puslaidininkis |
| A tiltott sáv szélessége | Körülbelül 1,12 eV szobahőmérsékleten |
| Elektromos vezetőképesség | Erősen függ a hőmérséklettől, a tisztaságtól és a szabályozott adalékolástól |
| A fő szerkezeti különbség | Sok, eltérő orientációjú kristály, amelyeket szemcsehatárok választanak el |
Minden szilíciumatom négy szomszédos atomhoz kapcsolódik, és a gyémántszerkezethez hasonló tetraéderes hálózatot alkot
Három dimenzióban ismétlődő rend
A kristályos szilíciumban minden atomnak négy legközelebbi szomszédja van, amelyek szilíciumatomok. A kovalens kötések háromdimenziós 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 alakít ki.
Tetraéderes geometria
A szomszédos atomok tetraéderes irányokban helyezkednek el, ezért a rács nem egyszerű köbös háló.
Gyémántszerkezet
A szilícium rácstípusa lényegében ugyanolyan, mint a gyémánté, bár a szilíciumatomok nagyobbak, kötéseik pedig gyengébbek, mint a szénkristályban.
Elektronállapotok
Az atomok periodikus elrendeződése vegyérték- és vezetési energiasávokat hoz létre.
A félvezető tiltott sávja
A vegyértéksáv és a vezetési sáv között tiltott energiasáv marad, ezért a szilícium sem nem jól vezető fém, sem nem hagyományos szigetelő.
A hőmérséklet hatása
A hő elegendő energiát adhat az elektronoknak ahhoz, hogy a vezetési sávba lépjenek, és növelje az elektromos vezetőképességet.
A polikristályos szilíciumban minden szemcsében ugyanaz a gyémánt típusú köbös rács ismétlődik. Nem a helyi atomelrendezés, hanem az egész szemcse térbeli orientációja különbözik.
A mozaikára emlékeztető polikristályos szilícium felülete különálló kristálytartományokból áll, amelyek eltérő orientációjuk miatt különbözőképpen verik vissza a fényt
Egy felület, sok kristálytani szög
Az egyes szemcsék felületi atomjainak irányultsága kissé eltér a beeső fény, a kémiai maratás és a mechanikai megmunkálás irányához képest. Emiatt a szomszédos tartományok világosabbnak, sötétebbnek vagy kékesebbnek tűnhetnek.
A szemcsén belül
Itt az atomok elrendeződése meglehetősen szabályos, és nagyon hasonlít az egykristály szerkezetére.
Határ
Ahol két, eltérő irányultságú tartomány találkozik, nem minden atomkötés folytatódhat teljesen periodikus rendben.
Kristályhibák
A határokon torzult kötések, diszlokációk és más rácshibák lehetnek.
Szennyeződések felhalmozódása
Egyes idegen atomok számára energetikailag kedvezőbb a szemcsehatárokon felhalmozódni, mint a tökéletes rács belsejében.
Töltéshordozók rekombinációja
A határok mentén az elektronok és a lyukak könnyebben rekombinálódhatnak, ezért csökken a hasznos élettartamuk.
Szemcseméret
Minél nagyobbak a szemcsék, annál kevesebb határ van ugyanakkora anyagtérfogatban.
A szemcsehatárok nem csupán látható vonalak. Ezek a kristályos tartományok valódi illeszkedési határai, amelyek megváltoztathatják a töltéshordozók mozgását, a mechanikai viselkedést és a szennyeződések eloszlását.
Ahhoz, hogy a szilícium-dioxidból elektronikai célra megfelelő tisztaságú anyagot nyerjenek, nem elég megolvasztani a szilíciumot, hanem szinte minden nem kívánt szennyeződést is el kell távolítani
Szilícium-dioxid-alapanyag
Az ipari gyártási folyamat általában kvarcból vagy más, nagy szilícium-dioxid-tartalmú anyagból indul ki.
Redukció szénnel
Magas hőmérsékleten eltávolítják az oxigént, és kohászati tisztaságú elemi szilíciumot nyernek.
A szilíciumot illékony vegyületekké alakítják
Ahhoz, hogy a szilíciumot rendkívül nagy tisztaságúra lehessen tisztítani, kémiai úton olyan vegyületekké alakítják, amelyek desztillálhatók.
A vegyületeket megtisztítják
A desztilláció során elválasztják azokat az anyagokat, amelyek forráspontja és kémiai tulajdonságai eltérnek a kívánt szilíciumvegyületétől.
Tiszta szilíciumot választanak le
Magas hőmérsékleten a szilíciumtartalmú gáz halmazállapotú vegyület lebomlik, az elemi szilícium pedig lerakódik a felhevített hordozóra.
Poliszilícium keletkezik
Nagyon tiszta polikristályos szilíciumanyag keletkezik, amely később megolvasztható, és más kristályformák növesztéséhez használható fel.
Az iparban a poliszilícium kifejezés gyakran nagyon tiszta polikristályos szilíciumot jelent, amely olyan alapanyag, amelyből később egykristályok növeszthetők vagy polikristályos tömbök önthetők.
A megolvadt szilícium hűlésekor egyszerre sok helyen kristálycsírák jelennek meg, amelyek addig növekednek, amíg össze nem érnek
A szilícium megolvad
Az olvadáspont alá hűlve megszűnik a távolsági kristályos rend, az atomok pedig a folyékony olvadékban mozognak.
A hőmérséklet csökkenni kezd
Az olvadék hűlésekor olyan körülmények alakulnak ki, amelyek között az atomok ismét gyémánttípusú köbös kristályrácsba rendeződhetnek.
Sok csíra keletkezik
Az olvadék különböző pontjain különálló szilíciumkristályok kezdenek növekedni.
A kristályok növekednek
Mindegyik csíra saját kristálytani irányban növekszik, és egyre több szilíciumatomot épít be.
A szemcsék összeérnek
A növekvő kristályok frontjai elérik egymást, és a szerkezet átalakítása nélkül már nem tudják tovább növeszteni a rácsukat.
Szemcsehatárok alakulnak ki
Az egész anyag egyetlen összefüggő tömbbé szilárdul, de belül számos eltérő kristálytani orientáció marad.
Ha az egész olvadékot egy megfelelő orientációjú kristálymagból kristályosítanánk, és nem képződnének további kristálymagok, egykristályt kaphatnánk. A polikristály akkor keletkezik, amikor egyszerre sok kristályosodási központ növekszik.
A polikristályos szilícium hozzájárult ahhoz, hogy a fotovoltaikus technológia ipari méretű energiatermelő rendszerré váljon
A fénytől az elektromos áramkörig
A napfény fotonja energiát adhat át egy szilíciumelektronnak, és a vezetési sávba gerjesztheti. A megfelelően kialakított elektromos tér elválasztja az elektront a megmaradó lyuktól, és a töltést a külső áramkörbe irányítja.
Fotonelnyelés
A kellő energiájú fény egy mozgékony elektront és egy pozitív töltéshordozót – lyukat – hozhat létre.
p-típusú és n-típusú szilícium
Különböző adalékanyagok mennyiségének szabályozott bevitelével eltérő töltéshordozó-koncentrációjú tartományok hozhatók létre.
p–n átmenet
A két tartomány határán kialakuló elektromos tér segít szétválasztani a fény által létrehozott töltéshordozókat.
Veszteségek a szemcsehatároknál
Az elektronok és a lyukak egy része még azelőtt rekombinálódhat a szemcsehatároknál, hogy elérné az elektródákat.
Nagy szemcsék
A nagyobb kristályszemcsék csökkentik a határok számát, és általában hozzájárulnak a jobb elektronikus tulajdonságok megőrzéséhez.
Kék felület
Sok hagyományos polikristályos napelemre jellemző kék színt a tükröződést csökkentő felületi bevonatok teszik élénkebbé.
A polikristályos napelem nem „kevésbé kristályos”, mint a monokristályos. Sok valódi kristályból áll – csupán az orientációjuk különbözik, és több szemcsehatár van közöttük.
A vékony polikristályos szilíciumrétegek lehetővé teszik tranzisztorok készítését ott, ahol nincs szükség tömbi egykristályra
Vékonyréteg-tranzisztorok
A polikristályos szilícium képernyők és más elektronikus struktúrák vékonyréteg-tranzisztoraiban is felhasználható.
Integrált áramkörök kapuelektródái
Korábban az erősen adalékolt poliszilíciumot széles körben használták a MOS tranzisztorok kapuelektródáinak anyagaként.
Ellenállások
A szemcseszerkezet, az adalékolás és a réteg geometriájának kombinációját szabályozva elektromos ellenállások alakíthatók ki.
Mikromechanikai rendszerek
A polikristályos szilíciumrétegek mikroszkopikus gerendákká, membránokká és mozgó struktúrákká alakíthatók.
Szenzorok
Mechanikai és elektromos tulajdonságainak köszönhetően a polikristályos szilícium nyomás-, mozgás- és más paramétereket mérő mikroszenzorokban is felhasználható.
Szabályozott adalékolás
A bór, a foszfor vagy más megfelelő adalékanyagok mennyisége több nagyságrenddel is megváltoztathatja a szabad töltéshordozók koncentrációját.
Az elektronikában a polisilicium szó gyakran nem egy nagy, fényes szilíciumdarabot jelent, hanem egy nagyon vékony polikristályos szilíciumréteget, amely egy összetett mikrochip-struktúrába épül be.
Mindkét anyagban ugyanúgy kötődnek az atomok, de az egyikben a kristályrács szinte változatlan irányban folytatódik, a másikban pedig számos kristályos tartományra tagolódik
Egykristály
A tömb szinte egészében azonos a kristálytani orientáció.
Polikristály
A tömböt számos, különböző kristálytani orientációjú tartomány alkotja.
Szemcsehatárok
Az egykristályban alig vannak ilyenek, a polikristályban viszont kiterjedt belső hálózatot alkotnak.
Elektrontranszport
Az egykristály tökéletesebb rendezettsége általában lehetővé teszi, hogy a töltéshordozók kevesebb szerkezeti akadályba ütközve mozogjanak.
Növekedési mód
Az egykristály előállításához egyetlen kristály növekedését kell szabályozni, a polikristályos anyag viszont sok kristályosodási gócból szilárdulhat meg.
Megjelenés
A polikristályos anyag felszínén gyakran látható az egyes szemcsékből kirajzolódó mozaikminta.
Az egykristályos és a polikristályos szilícium nem két különböző vegyi anyag. Mindkettő csaknem tiszta elemi szilíciumból állhat – a különbség a kristályos rendezettség mértékében rejlik.
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 elemkristályok formájában, mert igen könnyen kötődik az oxigénhez. A kvarcban, a földpátokban és számtalan szilikátásványban oxidált állapotban található.
A szilícium ipari története azzal kezdődött, hogy megtanulták elválasztani az oxigéntől és más elemektől, majd egyre fejlettebb tisztítási módszereket dolgoztak ki.
Az elektronikai forradalomhoz nem akármilyen szilíciumra, hanem szabályozott kristályszerkezetű, rendkívül tiszta szilíciumra volt szükség. A nem kívánt elemek akár nagyon kis mennyiségei is jelentősen megváltoztathatják a félvezető elektromos tulajdonságait.
A polikristályos szilícium gyártása összekötő kapoccsá vált a nyersanyagok kémiája és a kristálymérnökség között. A megtisztított polikristályos szilíciumolvadékból napelemekhez való tömbök formálhatók, vagy felhasználható a mikroelektronikához szükséges nagyméretű egykristályok növesztésére.
Így vált a földkéreg egyik leggyakoribb eleme olyan anyaggá, amelynél a bőség kevésbé fontos, mint a szerkezet és a tisztaság rendkívül pontos szabályozása.
A szilícium akkor vált technológiai szempontból értékessé, amikor az emberek megtanulták nemcsak kinyerni, hanem a kristály szinte minden jellemzőjét is szabályozni – a szennyeződésektől az atomok orientációjáig.
A sok kristály városa
Az olvadt szilíciumban közel egy időben több apró kristály született.
Mindegyik a maga irányába kezdett növekedni.
„Ha nem állunk mind egyforma irányba, soha nem válunk egyetlen testté” – mondta az első kristály.
A hőmérséklet azonban tovább csökkent, a kristályok pedig egyre nagyobbra nőttek.
Végül összeértek a széleik.
A rácsaik nem illeszkedtek tökéletesen. Határ alakult ki közöttük.
„Látod? – mondta az első. – Még mindig különbözünk.”
„Igen – felelte a második. – De most a határunk már nem rés. Olyan hellyé vált, ahol egyesültünk.”
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?
Mi a kémiai képlete?
Miben különbözik a polikristályos szilícium a monokristályos szilíciumtól?
Mi az a szemcsehatár?
A polikristályos szilícium minden szemcséje valódi kristály?
Mekkora a szilícium keménysége?
Mekkora a sűrűsége?
Miért tűnik mozaikszerűnek a polikristályos szilícium?
Mi az a poliszilícium?
Használják a polikristályos szilíciumot napelemekben?
Miért fontosak a szemcsehatárok a napelemekben?
Használják a poliszilíciumot a mikroelektronikában?
Mit jelképez a polikristályos szilícium a modern képzeletben?
A polikristályos szilícium azt mutatja, hogy működőképes szerkezetet nem a különbségek megszüntetésével, hanem a különböző irányok találkozási helyeinek gondos megszervezésével lehet létrehozni.
Története ugyanazzal a szilíciumatommal kezdődik, amely a természetben többnyire kvarcban és szilikátásványokban rejtőzik.
A megtisztított és megolvasztott szilícium hűlés közben egyszerre sok helyen kezd kristályosodni.
Minden kristály a maga irányában növekszik, és amikor találkoznak, szemcsehatárokat alkotva egyetlen szilárd polikristályos testté állnak össze.
Technologijų pasaulyje ši medžiaga sieja chemiją, kristalų fiziką, saulės energetiką ir mikroelektroniką. Simboline kalba ji emlékeztethet arra, hogy egy összetett egésznek nem feltétlenül kell egyetlen irányt követnie – néha éppen azért bontakozik ki az ereje, mert sok különböző kristály tanul meg egyetlen testben létezni.