Polikristālisks silīcijs
Linas JuozėnasDalīties
Polikristāliskais silīcijs
Polikristāliskais silīcijs ir kristālisks silīcija materiāls, ko veido daudzi atsevišķi silīcija kristāli, kurus sauc par graudiem. Katrā graudā atomi ir sakārtoti regulārā dimanta tipa kubiskā režģī, taču blakus esošo graudu režģi ir pagriezti dažādos leņķos. Vietās, kur tie satiekas, veidojas graudu robežas. Tieši šī polikristāliskā struktūra atšķir polikristālisko silīciju no monokristāliskā un piešķir tam raksturīgo mozaīkveida virsmu. Šis materiāls kļuva par vienu no svarīgākajiem starpposmiem, kas savieno kvarca izejvielu, saules elementus, mikroelektroniku un īpaši tīrus silīcija kristālus.
Ķīmiski tas ir tas pats silīcijs, taču vienas nepārtrauktas kristāla orientācijas vietā tajā ir tūkstošiem vai miljoniem mazāku kristālisku apgabalu
Tīru kristālisko silīciju veido silīcija atomi, kas savienoti ārkārtīgi sakārtotā trīsdimensiju tīklā. Vienā kristāliskā graudā šī kārtība saglabā vienu un to pašu orientāciju.
Polikristāliskā materiālā ir daudz šādu graudu. Viens var būt pagriezts par dažiem grādiem, bet cits – orientēts pavisam citā virzienā. Grauda iekšpusē režģis saglabā sakārtotību, taču, tuvojoties tā malai, atomu rindas vairs nevar turpināties pilnīgi regulāri.
Vieta, kur tie sastopas, tiek saukta par graudu robežu. Dažu atomu lokālā vide tajā nedaudz atšķiras, tāpēc šajās zonās var koncentrēties kristāliskās struktūras defekti, piemaisījumi un elektroniskie stāvokļi.
No pirmā acu uzmetiena šī atšķirība var šķist neliela, taču elektronikā tā ir ļoti svarīga: gandrīz perfektā kristāliskajā režģī elektroni un caurumi pārvietojas citādi nekā materiālā, kuru šķērso daudz graudu robežu.
Polikristāliskā silīcija būtība: katrs atsevišķais grauds ir kristāls, taču viss materiāls nav viens kristāls. Tā ir daudzu kristālu kopība.
Kristāliskais grauds
Neliels silīcija apgabals, kurā atomi saglabā vienotu kristalogrāfisko orientāciju.
Graudu robeža
Apgabals, kurā satiekas divi atšķirīgi pagriezti kristāliskie režģi.
Polikristālisks veselums
Daudzi graudi mehāniski saaug cits ar citu un veido vienu nepārtrauktu silīcija gabalu.
Pelēks, spīdīgs un trausls pusvadītājs, kura elektriskās īpašības lielā mērā ietekmē tīrība, piemaisījumi un kristālisko graudu izmērs
| Ķīmiskais simbols | Si |
|---|---|
| Materiāla tips | Polikristālisks elementārais pusvadītājs |
| Atomskaitlis | 14 |
| Kristāliskā struktūra grauda iekšienē | Dimanta tipa kubiskā struktūra |
| Cietība | Apmēram 6,5–7 pēc Mosa skalas |
| Blīvums | Apmēram 2,33 g/cm³ |
| Kušanas temperatūra | Apmēram 1414 °C |
| Krāsa | Tumši pelēks, sudrabaini pelēks, zilganpelēks vai gandrīz melns |
| Spīdums | No metāliska līdz pusmetāliskam |
| Mehāniskās īpašības | Ciets, bet trausls |
| Elektroniskais tips | Pusvadītājs |
| Aizliegtās joslas platums | Apmēram 1,12 eV istabas temperatūrā |
| Elektriskā vadītspēja | Ļoti atkarīgs no temperatūras, tīrības un kontrolētas leģēšanas |
| Galvenā strukturālā atšķirība | Daudzi dažādi orientēti kristāli, kurus atdala graudu robežas |
Katrs silīcija atoms saistās ar četriem kaimiņu atomiem un veido tetraedrisku tīklu, kas līdzinās dimanta struktūrai
Trīs dimensijās atkārtota kārtība
Kristāliskā silīcijā katram atomam ir četri tuvākie kaimiņi — silīcija atomi. Kovalentās saites veido trīsdimensiju tetraedrisku 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
Blakus esošie atomi izvietoti tetraedra virzienos, tāpēc režģis nav vienkāršs kubisks tīkls.
Dimanta struktūra
Silīcija režģa tips būtībā ir tāds pats kā dimantam, lai gan silīcija atomi ir lielāki un saites vājākas nekā oglekļa kristālā.
Elektroniskie stāvokļi
Periodiskā atomu izvietojuma dēļ veidojas valences un vadītspējas enerģijas joslas.
Pusvadītāja aizliegtā josla
Starp valences un vadītspējas joslām ir aizliegtā enerģijas josla, tāpēc silīcijs nav ne labi vadošs metāls, ne parasts izolators.
Temperatūras ietekme
Siltums var piešķirt elektroniem pietiekami daudz enerģijas, lai tie pārietu vadītspējas joslā un palielinātu elektrisko vadītspēju.
Polikristāliskā silīcijā katrā graudā atkārtojas tas pats dimanta tipa kubiskais režģis. Atšķiras nevis lokālā atomu kārtība, bet gan visa grauda orientācija telpā.
Mozaīku atgādinošo polikristāliskā silīcija virsmu veido atsevišķi kristāliskie apgabali, kas atšķirīgās orientācijas dēļ dažādi atstaro gaismu
Viena virsma, daudzi kristalogrāfiskie leņķi
Katra graudiņa virsmas atomi attiecībā pret krītošo gaismu, ķīmisko kodināšanu un mehāniskās apstrādes virzieniem ir orientēti nedaudz atšķirīgi. Tāpēc blakus esošie apgabali var izskatīties gaišāki, tumšāki vai zilganāki.
Graudiņa iekšienē
Šeit atomu izvietojums ir diezgan regulārs un ļoti līdzinās monokristāla struktūrai.
Robeža
Vietā, kur satiekas divi apgabali ar atšķirīgu orientāciju, ne visas atomu saites var turpināties pilnīgi periodiskā secībā.
Kristāla defekti
Robežās var būt deformētas saites, dislokācijas un citi režģa defekti.
Piemaisījumu uzkrāšanās
Dažiem svešiem atomiem enerģētiski izdevīgāk ir uzkrāties graudiņu robežās, nevis ideāla režģa iekšienē.
Lādētāju rekombinācija
Robežu tuvumā elektroni un caurumi var vieglāk rekombinēties, tāpēc saīsinās to lietderīgais kalpošanas laiks.
Graudiņu izmērs
Jo lielāki graudiņi, jo mazāk robežu ir vienā un tajā pašā materiāla tilpumā.
Graudiņu robežas nav tikai redzamas līnijas. Tās ir īstas kristālisko apgabalu saskares vietas, kas var mainīt lādiņa pārnesi, mehānisko reakciju un piemaisījumu sadalījumu.
Lai no silīcija dioksīda iegūtu elektronikai piemērotas tīrības materiālu, nepietiek tikai izkausēt silīciju - jāatdala arī gandrīz visi nevēlamie piemaisījumi
Silīcija dioksīda izejviela
Rūpnieciskais ražošanas process parasti sākas ar kvarcu vai citu materiālu, kurā ir ļoti daudz silīcija dioksīda.
Reducēšana ar oglekli
Augstā temperatūrā tiek atdalīts skābeklis, un tiek iegūts metalurģiskas tīrības elementārais silīcijs.
Silīcijs tiek pārvērsts gaistošos savienojumos
Lai silīciju varētu attīrīt ar īpaši lielu precizitāti, to ķīmiski pārvērš savienojumos, kurus var destilēt.
Savienojumus attīra
Destilējot atdala vielas, kuru viršanas temperatūra un ķīmiskās īpašības atšķiras no vēlamā silīcija savienojuma.
Nogulsnējas tīrs silīcijs
Augstā temperatūrā silīciju saturošs gāzveida savienojums sadalās, un elementārais silīcijs nogulsnējas uz sakarsētas pamatnes.
Iegūst polisilīciju
Iegūst ļoti tīru polikristāliska silīcija materiālu, ko vēlāk var izkausēt un izmantot citu kristālisku formu audzēšanai.
Rūpniecībā termins polisilīcijs bieži apzīmē ļoti tīru polikristālisku silīciju - izejvielu, no kuras vēlāk var audzēt monokristālus vai liet polikristāliskus lietņus.
Izkausētajam silīcijam atdziestot, daudzās vietās vienlaikus veidojas kristālu dīgļi, kas aug, līdz saskaras
Silīcijs tiek izkausēts
Pārsniedzot kušanas temperatūru, tālā kristāliskā kārtība izzūd, un atomi pārvietojas šķidrā kausējumā.
Temperatūra sāk pazemināties
Kausējumam atdziestot, rodas apstākļi atomiem atkal apvienoties dimanta tipa kubiskā kristālrežģī.
Veidojas daudzi kristālu dīgļi
Dažādās kausējuma vietās sāk augt atsevišķi silīcija kristāli.
Kristāli aug
Katrs dīglis aug savā kristalogrāfiskajā orientācijā, piesaistot arvien vairāk silīcija atomu.
Graudiņas saskaras
Augošo kristālu frontes sastopas un vairs nevar turpināt savu režģu veidošanos bez strukturāla kompromisa.
Veidojas graudu robežas
Viss materiāls sacietē vienā veselā blokā, taču tā iekšienē saglabājas daudz dažādu kristalogrāfisko orientāciju.
Ja viss kausējums kristalizētos no viena pareizi orientēta kristāliska aizmetņa un nerastos papildu aizmetņi, varētu iegūt monokristālu. Polikristāls veidojas, kad vienlaikus aug daudzi kristalizācijas centri.
Polikristāliskais silīcijs palīdzēja pārvērst fotoelementu tehnoloģiju par masveida enerģijas ražošanas sistēmu
No gaismas līdz elektriskajai ķēdei
Saules gaismas fotons var nodot enerģiju silīcija elektronam un ierosināt to vadītspējas zonā. Pareizi izveidots elektriskā lauka apgabals atdala elektronu no atlikuša cauruma un novada lādiņu ārējā ķēdē.
Fotona absorbcija
Pietiekamas enerģijas gaisma var radīt kustīgu elektronu un pozitīvu lādiņnesēju - caurumu.
p tipa un n tipa silīcijs
Ievadot kontrolētu daudzumu dažādu leģējošo piemaisījumu, var izveidot apgabalus ar atšķirīgu lādiņnesēju koncentrāciju.
p–n pāreja
Elektriskais lauks, kas veidojas divu apgabalu saskares vietā, palīdz atdalīt gaismas radītos lādiņnesējus.
Zudumi pie graudu robežām
Daļa elektronu un caurumu var rekombinēties pie graudu robežām, vēl nesasnieguši elektrodus.
Lieli graudi
Lielāki kristāla graudi samazina robežu skaitu un parasti palīdz saglabāt labākas elektroniskās īpašības.
Zilā virsma
Daudziem klasiskajiem polikristāliskajiem saules elementiem raksturīgo zilo krāsu pastiprina pretatspīduma pārklājumi.
Polikristālisks saules elements nav “mazāk kristālisks” par monokristālisku. Tajā ir daudz īstu kristālu - tikai to orientācijas atšķiras, un starp tiem ir vairāk robežu.
Plāni polikristāliskā silīcija slāņi ļauj veidot tranzistorus vietās, kur nav vajadzīgs monokristāla materiāls
Plānslāņa tranzistori
Polikristālisko silīciju var izmantot plānslāņa tranzistoros ekrāniem un citām elektroniskām struktūrām.
Integrālo shēmu aizvari
Agrāk stipri leģētu polisilīciju plaši izmantoja kā MOS tranzistoru aizvaru elektrodu materiālu.
Rezistori
Kontrolējot graudu struktūras, leģēšanas un slāņa ģeometrijas kombināciju, var izveidot elektriskos rezistorus.
Mikromehāniskās sistēmas
Polikristalinā silīcija slāņi var kļūt par mikroskopiskām sijām, membrānām un kustīgām struktūrām.
Sensori
Dėl savo mechaninių ir elektrinių savybių polikristalisko silicio var izmantot spiediena, kustības un citu parametru mikrosensoros.
Kontroliuojamas legiravimas
Boro, fosforo ar kitų tinkamų legiruojančiųjų priemaišų kiekis gali pakeisti laisvųjų krūvininkų koncentraciją daugeliu dydžio eilių.
Elektronikoje žodis polisilicis dažnai reiškia ne didelį blizgantį silicio gabalą, o labai ploną polikristalinio silicio sluoksnį, integruotą į sudėtingą mikrolusto struktūrą.
Abos materiālos atomi saistās vienādi, taču vienā kristālrežģis turpinās gandrīz nemainīgā virzienā, bet otrā tas ir sadalīts daudzās kristāliskās zonās
Monokristāls
Gandrīz visai sagatnei ir viena un tā pati kristalogrāfiskā orientācija.
Polikristāls
Sagātni veido daudzas dažādas kristalogrāfiskās orientācijas zonas.
Graudu robežas
Monokristālā to gandrīz nav, bet polikristālā tās veido plašu iekšējo tīklu.
Elektronu pārnese
Monokristāla pilnīgākā kārtība parasti ļauj lādiņnesējiem pārvietoties, sastopot mazāk strukturālu šķēršļu.
Augšanas veids
Lai izgatavotu monokristālu, jākontrolē viena kristāla augšana, savukārt polikristālisks materiāls var sacietēt no daudziem kristalizācijas aizmetņiem.
Izskats
Polikristāliska materiāla virsmā bieži var redzēt mozaīkveida rakstu, ko veido atsevišķi graudi.
Monokristāliskais un polikristāliskais silīcijs nav divas dažādas ķīmiskās vielas. Abus var veidot gandrīz tīrs elementārais silīcijs – atšķiras to kristāliskās kārtības mērogs.
Elements, kura savienojumi veido lielu daļu iežu pasaules, kļuva arī par vienu no digitālās civilizācijas svarīgākajiem pamatiem
Dabā silīcijs gandrīz nekad nav sastopams lielu tīra elementa kristālu veidā, jo tas ļoti viegli savienojas ar skābekli. Kvarcā, laukšpatā un neskaitāmos silikātu minerālos tas ir oksidētā veidā.
Silīcija rūpniecības vēsture sākās ar silīcija atdalīšanu no skābekļa un citiem elementiem, un vēlāk tika izstrādātas arvien pilnīgākas tā attīrīšanas metodes.
Elektronikas revolūcijai bija nepieciešams nevis vienkārši silīcijs, bet gan īpaši tīrs silīcijs ar kontrolētu kristālisko struktūru. Pat ļoti mazi nevēlamu elementu daudzumi var būtiski mainīt pusvadītāja elektriskās īpašības.
Polikristāliskā silīcija ražošana kļuva par saikni starp izejvielu ķīmiju un kristālu inženieriju. No attīrīta polikristāliskā silīcija kausējuma var veidot sagataves saules elementiem vai izmantot to lielu monokristālu audzēšanai mikroelektronikai.
Tā viens no izplatītākajiem Zemes garozas elementiem kļuva par materiālu, kura gadījumā izplatībai ir mazāka nozīme nekā ārkārtīgi precīzai struktūras un tīrības kontrolei.
Silīcijs ieguva tehnoloģisku vērtību, kad cilvēki iemācījās ne tikai to iegūt, bet arī kontrolēt gandrīz katru tā kristāla aspektu – no piemaisījumiem līdz atomu orientācijai.
Daudzo kristālu pilsēta
Izkausētajā silīcijā gandrīz vienlaikus radās vairāki mazi kristāli.
Katrs sāka augt savā virzienā.
„Ja mēs visi nebūsim orientēti vienādi, mēs nekad nekļūsim par vienu veselumu,“ sacīja pirmais kristāls.
Taču temperatūra turpināja kristies, un kristāli kļuva arvien lielāki.
Galu galā to malas saskārās.
Viņu kristālrežģi nesakrita perfekti. Starp tiem izveidojās robeža.
„Redzi? – teica pirmais. – Mēs joprojām esam atšķirīgi.“
„Jā, – atbildēja otrais. – Bet tagad mūsu robeža nav sprauga. Tā ir kļuvusi par vietu, kur mēs savienojāmies.“
Kad viss kausējums bija sacietējis, viena perfekta kristāla nebija. To bija miljoniem – un kopā tie kļuva par vienu funkcionējošu materiālu.
Šī nav sena leģenda. Tas ir radošs stāsts, ko iedvesmojusi īstā graudu augšana polikristāliskajā silīcijā.
Daudzu virzienu vienotība, spēja saglabāt savu struktūru un vienlaikus veidot lielāku sistēmu, kas darbojas, pateicoties visām tās daļām
Mūsdienu simboliskajā valodā polikristālisko silīciju var saistīt ar sadarbību, sarežģītu sistēmu veidošanu, dažādu prasmju integrēšanu un izpratni, ka vienotība ne vienmēr nozīmē vienādību. Tā ir radoša interpretācija, nevis zinātniski pierādīta ietekme uz cilvēkiem.
Atsevišķs grauds
Katrai cilvēka dzīves daļai var būt savs virziens, un tā joprojām var piederēt lielākam veselumam.
Graudu robeža
Atšķirība starp diviem cilvēkiem vai idejām var kļūt ne tikai par konflikta avotu, bet arī par pašu to savienošanās vietu.
Kristalizācija
Kārtība var rasties vienlaikus daudzās vietās un vēlāk apvienoties vienā sistēmā.
Pusvadītājs
Spēja kontrolēt, kad enerģija plūst un kad tās plūsma apstājas, var simbolizēt apzināti noteiktas 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 dažādās daļas – dažkārt tieši tās veido tās interesantāko struktūru.
Kopīgas struktūras rituāls
Šī sausā simboliskā prakse paredzēta situācijai, kad jums ir vairāki dažādi uzdevumi, prasmes vai cilvēki un vēlaties saprast, kā tos apvienot vienotā, funkcionējošā sistēmā, neliekot visām daļām kļūt vienādām.
Kas būs nepieciešams
- vienu polikristāliskā silīcija paraugu;
- papīra lapu;
- pildspalvu;
- vienu sistēmu vai projektu, ko vēlētos organizēt efektīvāk.
Graudi
Uz lapas uzzīmējiet vairākas atsevišķas jomas un katrā ierakstiet vienu projekta daļu, cilvēku, prasmi vai atbildību.
Virzieni
Pie katras daļas atzīmējiet, ko tā dara vislabāk un kuru tās virzienu nevajadzētu piespiedu kārtā mainīt.
Robežas
Starp blakus esošajām jomām pierakstiet, kādai informācijai, resursiem vai lēmumiem jāpāriet no vienas uz otru.
Defektu vietas
Atzīmējiet vienu saskares punktu, kurā pašlaik tiek zaudēts visvairāk laika, enerģijas vai skaidrības.
Stiprāka saikne
Izvēlieties vienu nelielu izmaiņu, kas uzlabotu mijiedarbību tieši pie šīs robežas: skaidrāku noteikumu, labāku informācijas nodošanu vai vienkāršāku procesu.
Atkārtojamie vārdi
Novietojiet polikristālisko silīciju diagrammas centrā un trīs reizes izrunājiet:
Saglabāju katru virzienu un stiprinu katru saikni,
Iš daugybės atskirų daļu veidoju tās pārspējošu, funkcionējošu veselumu.
Užbaigimas
Ištarkite: „Vienybei nereikia vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš stiprinu vietas, kuriose tās susitinka.“
Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Kāda ir tā ķīmiskā formula?
Ar ko polikristāliskais silīcijs atšķiras no monokristāliskā silīcija?
Kas ir graudu robeža?
Vai katrs polikristāliskā silīcija grauds ir īsts kristāls?
Kāda ir silīcija cietība?
Kāds ir tā blīvums?
Kāpēc polikristāliskais silīcijs izskatās kā mozaīka?
Kas ir polisilīcijs?
Vai polikristālisko silīciju izmanto saules elementos?
Kāpēc graudu robežas ir svarīgas saules elementos?
Vai polisilīciju izmanto mikroelektronikā?
Ko polikristāliskais silīcijs simbolizē mūsdienu iztēlē?
Polikristāliskais silīcijs rāda, ka funkcionējošu struktūru var izveidot, nevis likvidējot atšķirības, bet gan rūpīgi organizējot vietas, kur 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, un, sastopoties, tie veido graudu robežas un kopā kļūst par vienu cietu polikristālisku ķermeni.
Tehnoloģiju pasaulē šis materiāls saista ķīmiju, kristālu fiziku, saules enerģētiku un mikroelektroniku. Simboliskā valodā tas var atgādināt, ka sarežģītam veselumam ne vienmēr vajadzīgs viens virziens – dažkārt tā spēks izpaužas tāpēc, ka daudzi dažādi kristāli iemācās pastāvēt vienā ķermenī.