Polikristālisks silīcijs
Linas JuozenasKopīgot
Polikristalinis silicis
Polikristalinis silicis – tai kristalinio silicio medžiaga, sudaryta iš daugybės atskirų silicio kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkinga deimantine gardele, tačiau gretimų grūdelių gardelės pasuktos skirtingais kampais. Jų susitikimo vietose susidaro grūdelių ribos. Būtent ši daugiakristalė struktūra išskiria polikristalinį silicį iš monokristalinio silicio ir suteikia jam būdingą mozaikinį paviršių. Ši medžiaga tapo vienu svarbiausių tarpinių etapų tarp kvarco žaliavos, saulės elementų, mikroelektronikos ir itin grynų silicio kristalų.
Chemiškai tai tas pats silicis, tačiau vietoje vienos nenutrūkstančios kristalinės orientacijos jame egzistuoja tūkstančiai ar milijonai mažesnių kristalinių sričių
Grynas kristalinis silicis sudarytas iš silicio atomų, sujungtų į labai tvarkingą trimatį tinklą. Viename kristaliniame grūdelyje ši tvarka tęsiasi viena orientacija.
Polikristalinėje medžiagoje tokių grūdelių yra daug. Vienas gali būti pasuktas keliais laipsniais, kitas – visiškai kita kryptimi. Kol esame vieno grūdelio viduje, gardelė išlieka tvarkinga, tačiau priartėjus prie jo krašto atomų eilės nebegali tęstis tobulai.
Susitikimo vieta vadinama grūdelio riba. Joje dalis atomų turi kiek kitokią kaimiņystę, todėl čia gali koncentruotis kristaliniai defektai, priemaišos ir elektroninės būsenos.
Šis skirtumas iš pirmo žvilgsnio atrodo nedidelis, tačiau elektronikai jis svarbus: elektronai ir skylės per tobulą kristalinę gardelę juda kitaip nei per daugybę jos ribų.
Polikristalinio silicio esmė: kiekvienas atskiras grūdelis yra kristalas, tačiau visa medžiaga nėra vienas kristalas. Ji yra daugelio kristalų bendrija.
Kristalinis grūdelis
Nedidelė silicio sritis, kurioje atomai išlaiko vieną bendrą kristalografinę orientaciją.
Graudu robeža
Sritis, kurioje susitinka dvi skirtingai pasuktos kristalinės gardelės.
Polikristalinė visuma
Polikristālisks kopums
Fizikālās un elektroniskās īpašības
| Pelēks, spīdīgs un trausls pusvadītāja materiāls, kura elektrisko uzvedību būtiski maina tīrība, piemaisījumi un kristālisko graudu izmērs. | Ķīmiskais simbols |
|---|---|
| Si | Materiāla tips |
| Polikristālisks elementārs pusvadītājs | 14 |
| Atomskaitlis | Kristāliskā struktūra graudā |
| Dimanta kubiskā struktūra | Cietība |
| Aptuveni 6,5–7 pēc Mosa skalas | Apmēram 2,33 g/cm³ |
| Kušanas temperatūra | Apmēram 1414 °C |
| Krāsa | Tumši pelēks, pelēki sudrabains, zilganpelēks vai melnīgs |
| Spīdums | Metāliski vai pusmetāliski spīdīgs |
| Mehāniskās īpašības | Ciets, bet trausls |
| Elektronu tips | Pusvadītājs |
| Aizliegtās joslas platums | Apmēram 1,12 eV istabas temperatūrā |
| Elektriskā vadītspēja | Tas lielā mērā ir atkarīgs no temperatūras, tīrības un kontrolētas dopēšanas. |
| Galvenā strukturālā atšķirība | Neskaitāmas kristāliskās orientācijas un tās atdalošās graudu robežas |
Katrs silīcija atoms savienojas ar četriem kaimiņiem, izveidojot tetraedrisku tīklu, kas līdzinās dimanta struktūrai.
Kārtība, kas atkārtojas trīs virzienos
Kristāliskajā silīcijā katram atomam ir četri tuvākie silīcija kaimiņi. Kovalentās saites veido telpisku tetraedru tīklu, kas nosaka gan kristāla ģeometriju, gan tā pusvadītāja īpašības.
Četras saites
Katram silīcija atomam ir četri valences elektroni, un kristālā tas veido četras stipras kovalentās saites.
Tetraedriska ģeometrija
Kaimiņu atomi izvietojas tetraedra virzienos, tāpēc režģis nav vienkāršs kubisks tīklojums.
Dimanta struktūra
Silīcija režģa tips ir tāds pats kā dimantam, lai gan silīcija atomi ir lielāki un saites vājākas nekā oglekļa kristālā.
Elektronu stāvokļi
Periodisks atomu izvietojums veido valences un vadītspējas enerģijas joslas.
Pusvadītāja enerģijas sprauga
Starp valences un vadītspējas joslām paliek enerģijas sprauga, tāpēc silīcijs nav ne labs metāls, ne parasts izolators.
Temperatūras ietekme
Siltums var piešķirt elektroniem pietiekami daudz enerģijas, lai tie pārietu vadītspējas joslā un palielinātu vadītspēju.
Polikristāliskajā silīcijā šis pats dimanta režģis atkārtojas katrā graudā. Atšķiras nevis lokālā atomu kārtība, bet visa grauda orientācija telpā.
Polikristāliskā silīcija virsmas mozaīku veido atsevišķi kristāliski apgabali, kas atšķirīgās orientācijas dēļ gaismu atstaro nevienādi.
Viena virsma, neskaitāmi kristalogrāfiskie leņķi
Katra grauda virsmas atomi attiecībā pret gaismu, ķīmisko kodināšanu un mehānisko apstrādi ir orientēti nedaudz atšķirīgi. Tāpēc blakus esošie laukumi var izskatīties gaišāki, tumšāki vai zilganāki.
Grauda iekšpuse
Atomu kārtība šeit ir diezgan regulāra un līdzīga monokristāla struktūrai.
Robeža
Saskaroties divām orientācijām, ne visas atomu saites var turpināties ideālā periodiskā secībā.
Kristāliskie defekti
Robežās var būt izkropļotas saites, dislokācijas un citi režģa defekti.
Piemaisījumu uzkrāšanās
Daži sveši atomi enerģētiski izdevīgāk uzkrājas pie graudu robežām nekā ideālā režģī.
Lādiņnesēju rekombinācija
Elektroni un caurumi pie robežām var vieglāk rekombinēties, tāpēc samazinās to lietderīgais dzīves ilgums.
Graudu izmērs
Jo lielāki ir graudi, jo mazāk robežu ir vienā un tajā pašā materiāla tilpumā.
Graudu robežas nav vienkārši redzamas līnijas. Tās ir īstas kristāliskas saskares, kas var mainīt elektriskā lādiņa kustību, mehānisko reakciju un piemaisījumu sadalījumu.
Ceļā no silīcija dioksīda līdz elektronikai piemērotam materiālam nepieciešams ne tikai izkausēt silīciju, bet arī atdalīt gandrīz visus svešos piemaisījumus
Silīcija dioksīda izejviela
Rūpnieciskais process parasti sākas ar kvarcu vai citu materiālu, kas ir ļoti bagāts ar silīcija dioksīdu.
Reducēšana ar oglekli
Augstā temperatūrā tiek atdalīts skābeklis, iegūstot metalurģiskās kvalitātes elementāro silīciju.
Silīcijs tiek pārvērsts gaistošos savienojumos
Lai to varētu attīrīt īpaši precīzi, silīciju ķīmiski pārvērš savienojumos, kurus var destilēt.
Savienojumi tiek attīrīti
Destilējot atdala vielas, kuru viršanas temperatūra un ķīmiskā uzvedība atšķiras no vēlamā silīcija savienojuma.
Nogulsnējas tīrs silīcijs
Augstā temperatūrā silīciju saturošs gāzveida savienojums sadalās, un elementārais silīcijs nogulsnējas uz sakarsētas pamatnes.
Iegūst polisilīciju
Veidojas ļoti tīrs polikristālisks silīcija materiāls, ko vēlāk var izkausēt un izmantot citu kristālisko formu audzēšanai.
Termins „polisilīcijs“ rūpniecībā bieži nozīmē ļoti tīru polikristālisku silīciju — izejvielu, no kuras vēlāk audzē monokristālus vai lej daudzkristālu sagataves.
Atdziestot izkausētajam silīcijam daudzās vietās vienlaikus veidojas kristālu kodoli, kas aug, līdz saskaras cits ar citu
Silīcis tiek izkausēts
Virs kušanas temperatūras ilgstošā kristāliskā kārtība izzūd, un atomi pārvietojas šķidrā kausējumā.
Temperatūra sāk pazemināties
Atdziestot rodas apstākļi, lai atomi atkal savienotos kristāliskā dimanta režģī.
Veidojas daudz kodolu
Dažādās kausējuma vietās sāk augt atsevišķi silīcija kristāli.
Kristāli izplešas
Kiekvienas branduolys auga savā kristalogrāfiskajā orientācijā, piesaistot arvien vairāk silīcija atomu.
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.
Jei visas lydalas būtų priverstas augti nuo vieno tinkamai orientuoto kristalo branduolio ir kiti branduoliai nesusidarytų, būtų galima gauti monokristalą. Polikristalas atsiranda tada, kai vienu metu auga daug kristalinių centrų.
Polikristalinis silicis padėjo paversti fotovoltinę technologiją masine energijos gamybos sistema
Šviesa į elektros grandinę
Saulės fotonas gali perduoti energiją silicio elektronui ir iškelti jį į laidumo juostą. Tinkamai sukurta elektrinio lauko sritis atskiria elektroną nuo likusios skylės ir nukreipia krūvį į išorinę grandinę.
Fotonų sugertis
Pakankamos energijos šviesa gali sukurti judrų elektroną ir teigiamą krūvininką – skylę.
p ir n tipo silicis
Kontroliuojamai įvedant skirtingų priemaišų sukuriamos sritys, turinčios skirtingą krūvininkų koncentraciją.
p–n sandūra
Dviejų sričių sandūroje susidaręs elektrinis laukas padeda atskirti šviesos sukurtus krūvininkus.
Grūdelių ribų nuostoliai
Dalis elektronų ir skylių gali rekombinuoti ribose dar nepasiekę elektrodų.
Dideli grūdeliai
Didesni kristaliniai grūdeliai sumažina ribų kiekį ir paprastai padeda išlaikyti geresnes elektronines savybes.
Mėlynas paviršius
Daugeliui klasikinių polikristalinių saulės elementų būdingą mėlyną spalvą stiprina antirefleksiniai paviršiaus sluoksniai.
Polikristalinis saulės elementas nėra „mažiau kristalinis“ už monokristalinį. Jo viduje gausu tikrų kristalų – tiesiog jų orientacijos skirtingos ir tarp jų yra daugiau ribų.
Ploni polikristalinio silicio sluoksniai leidžia kurti tranzistorius ten, kur masyvaus monokristalo panaudoti nebūtina
Plonų sluoksnių tranzistoriai
Polikristalinis silicis gali būti naudojamas plonasluoksniuose tranzistoriuose ekranų ir kitose elektroninėse struktūrose.
Mikroschemų vartai
Istoriškai stipriai legiruotas polisilicis plačiai naudotas MOS tranzistorių vartų elektroduose.
Rezistoriai
Kontroliuojamas grūdelių, dopavimo ir sluoksnio geometrijos derinys leidžia formuoti elektrines varžas.
Mikromechaninės sistemos
Polikristalinio silicio sluoksniai gali tapti mikroskopinėmis sijomis, membranomis ir judančiomis konstrukcijomis.
Jutikliai
Mechaninės ir elektrinės savybės leidžia naudoti polisilicį slėgio, judesio ir kitų parametrų mikrojutikliuose.
Kontroliuojamas dopavimas
Boro, fosforo ar kitų tinkamų priemaišų kiekis leidžia keisti laisvųjų krūvininkų koncentraciją daugeliu dydžio eilių.
Elektronikoje žodis „polisilicis“ dažnai reiškia ne didelį blizgų silicio gabalą, o labai ploną polikristalinio silicio sluoksnį, integruotą į sudėtingą mikroschemos struktūrą.
Abiejų medžiagų atomai jungiasi taip pat, tačiau vienoje gardelė tęsiasi beveik be krypties lūžio, o kitoje suskaidyta į daugybę kristalinių sričių
Monokristāls
Gandrīz visai sagatavei ir viena kopīga kristalogrāfiskā orientācija.
Polikristāls
Sagatavi veido daudzas atsevišķas kristāliskās orientācijas.
Graudu robežas
Monokristālā to gandrīz nav, bet polikristālā tie veido visu iekšējo tīklu.
Elektronu kustība
Pilnīgāka monokristāla kārtība parasti ļauj lādiņnesējiem pārvietoties ar mazākiem strukturāliem šķēršļiem.
Ražošanas ceļš
Monokristālam jāvada viena kristāla augšana, savukārt polikristālisks materiāls var sacietēt no daudziem kodoliem.
Izskats
Uz polikristāliskas virsmas bieži var redzēt atsevišķu graudu mozaīkveida rakstu.
Monokristāls un polikristāls nav divas atšķirīgas ķīmiskās vielas. Abi var būt gandrīz tīrs elementārais silīcijs — atšķiras tikai to kristāliskās kārtības mērogs.
Elements, kura savienojumi veido lielāko daļu pasaules iežu, kļuva arī par vienu no svarīgākajiem digitālās civilizācijas pamatiem
Dabā silīcijs gandrīz nekad nav sastopams kā lieli tīra elementa kristāli, jo tas ļoti viegli savienojas ar skābekli. Kvarcs, laukšpati un daudzi silikāti to saglabā oksidētā stāvoklī.
Silīcija rūpnieciskā vēsture sākās ar spēju atdalīt silīciju no skābekļa un citiem elementiem, bet vēlāk — ar tā arvien progresīvāku attīrīšanu.
Elektronikas revolūcijai bija vajadzīgs nevis vienkārši silīcijs, bet ārkārtīgi tīrs silīcijs ar kontrolētu kristālisko struktūru. Pat ļoti mazi nevēlamo elementu daudzumi var būtiski mainīt pusvadītāja elektriskās īpašības.
Polisilīcija ražošana kļuva par savienojošo posmu starp izejvielu ķīmiju un kristālu inženieriju. No attīrīta polisilīcija var kausēt saules elementu sagataves vai audzēt lielus monokristālus mikroelektronikai.
Tā viens no visizplatītākajiem Zemes garozas elementiem kļuva par materiālu, kurā svarīgs nav daudzums, bet gan ārkārtīgi precīzi kontrolēta struktūra un tīrība.
Silīcija tehnoloģiskā vērtība radās tad, kad cilvēki iemācījās ne tikai to iegūt, bet arī kontrolēt gandrīz katru tā kristāla aspektu — no piemaisījumiem līdz atomu orientācijai.
Pilsēta no daudziem kristāliem
Šķidrajā silīcijā gandrīz vienlaikus izveidojās vairāki mazi kristāli.
Katrs sāka augt savā virzienā.
„Ja mēs visi nebūsim pagriezti vienādi, mēs nekad nekļūsim par vienu ķermeni,“ teica pirmais kristāls.
Tomēr temperatūra turpināja kristies, bet kristāli izpletās.
Beidzot to malas saskārās.
Kristālrežģi ideāli nesakrita. Starp tiem izveidojās robeža.
„Redzi?“ teica pirmais. „Mēs joprojām esam atšķirīgi.“
„Jā,“ atbildēja otrais. „Bet tagad mūsu robeža vairs nav sprauga. Tā kļuva par vietu, kur mēs savienojāmies.“
Kad viss kausējums sacietēja, nebija viena perfekta kristāla. To bija miljoniem — un visi kopā kļuva par vienu funkcionējošu materiālu.
Šī nav sena leģenda. Tas ir radošs stāsts, ko iedvesmojusi īsta polikristāliskā silīcija graudu augšana.
Daudzu virzienu vienotība, spēja saglabāt savdabīgu struktūru un vienlaikus izveidot lielāku sistēmu, kas darbojas tikai visu tās daļu dēļ
Mūsdienu simboliskajā valodā polikristālisks silīcijs var tikt saistīts ar sadarbību, sarežģītu sistēmu veidošanu, atšķirīgu spēju integrēšanu un izpratni, ka vienotība ne vienmēr nozīmē vienādību. Tā ir radoša interpretācija, nevis zinātniski pierādīta ietekme uz cilvēku.
Atsevišķs grauds
Katra cilvēka dzīves daļa var iet savu virzienu un tomēr piederēt lielākam veselumam.
Graudu robeža
Atšķirība starp diviem cilvēkiem vai idejām var kļūt ne tikai par konfliktu, bet arī par īstu to savienošanās vietu.
Kristalizācija
Kārtība var rasties vienlaikus daudzās vietās un vēlāk apvienoties vienā sistēmā.
Pusvadītājs
Spēja kontrolēt, kad enerģija plūst un kad apstājas, var simbolizēt apzinātas robežas un mērķtiecīgu rīcību.
Saules elements
No ārpuses saņemto enerģiju var ne tikai absorbēt, bet arī pārvērst lietderīgā darbā.
Mozaīkveida veselums
Sarežģītai sistēmai nav jāslēpj tās atšķirīgās daļas — dažkārt tieši tās veido visinteresantāko struktūru.
Kopīgas struktūras rituāls
Šī sausā simboliskā prakse paredzēta situācijai, kurā jums ir vairāki dažādi uzdevumi, prasmes vai cilvēki un jūs vēlaties saprast, kā tos apvienot vienā funkcionējošā sistēmā, nepiespiežot visus kļūt vienādiem.
Kas būs nepieciešams
- viena polikristāliskā silīcija parauga;
- papīra lapas;
- pildspalvas;
- vienu sistēmu vai projektu, kuru vēlaties labāk sakārtot.
Graudi
Lapā uzzīmējiet vairākus atsevišķus laukumus un katrā ierakstiet vienu projekta daļu, cilvēku, prasmi vai atbildību.
Virzieni
Pie katras daļas atzīmējiet, ko tā dara vislabāk un kādu virzienu tai nevajadzētu piespiedu kārtā mainīt.
Robežas
Starp blakus esošajām jomām pierakstiet, kādai informācijai, resursiem vai lēmumiem ir jāpāriet no vienas uz otru.
Defektu vietas
Atzīmējiet vienu savienojuma vietu, kurā pašlaik tiek zaudēts visvairāk laika, enerģijas vai skaidrības.
Stiprāks savienojums
Izvēlieties vienu nelielu pārmaiņu, kas uzlabotu tieši šo robežu: skaidrāku noteikumu, labāku informācijas nodošanu vai vienkāršāku procesu.
Buramvārdi
Novietojiet polikristālisko silīciju shēmas centrā un trīs reizes izrunājiet:
Virzienus saglabāju, robežas savienoju,
no daudzām daļām veidoju funkcionējošu veselumu.
Noslēgums
Pasakiet: „Vienotība neprasa vienādību. Katra daļa var saglabāt savu virzienu, bet es varu stiprināt vietas, kur tās satiekas.“
Biežāk uzdotie jautājumi par polikristālisku silīciju
Kas ir polikristālisks silīcijs?
Kokia jo ķīmiskā formula?
Ar ko polikristāliskais silīcijs atšķiras no monokristāliskā?
Kas ir grauda robeža?
Vai katrs polikristāliskā silīcija grauds ir īsts kristāls?
Kāda ir silīcija cietība?
Kāds ir tā blīvums?
Kāpēc polikristāliskais silīcijs izskatās mozaīkveidīgs?
Kas ir polisilīcijs?
Vai polikristālisko silīciju izmanto saules elementos?
Kāpēc graudu robežas ir svarīgas saules elementiem?
Vai polisilīciju izmanto mikroelektronikā?
Ko polikristāliskais silīcijs simbolizē mūsdienu iztēlē?
Polikristāliskais silīcijs parāda, ka vienotu funkcionējošu struktūru var izveidot nevis likvidējot atšķirības, bet precīzi sakārtojot vietas, kurās satiekas dažādi virzieni
Tā vēsture sākas ar to pašu silīcija atomu, kas dabā visbiežāk slēpjas kvarcā un silikātu minerālos.
Attīrīts un izkausēts silīcijs atdziestot sāk kristalizēties daudzās vietās vienlaikus.
Katrs kristāls aug savā virzienā, bet, sastopoties, tie veido graudu robežas un kopā kļūst par vienu cietu polikristālisku ķermeni.
Tehnoloģiju pasaulē šis materiāls apvieno ķīmiju, kristālu fiziku, saules enerģiju un mikroelektroniku. Simboliskā valodā tas var atgādināt, ka sarežģītam veselumam ne vienmēr ir tikai viens virziens — dažkārt tā spēks rodas tāpēc, ka daudzi dažādi kristāli iemācās pastāvēt vienā ķermenī.