Silīcijs
Linas JuozėnasKopīgot
Silīcijs
Silīcijs ir ķīmiskais elements, ko apzīmē ar simbolu Si un kura atomskaitlis ir 14. Dabā tas gandrīz nekad nav sastopams tīrā veidā, jo viegli savienojas ar skābekli un citiem elementiem. Tāpēc silīciju visbiežāk sastopam kvarcā, laukšpatos, vizlā, māla minerālos un daudzos citos silikātos. Attīrīts līdz ārkārtīgi augstai tīrības pakāpei un izaudzēts vienlaidus kristālā, tas kļūst par vadāmu pusvadītāju, no kura izgatavo mikroshēmas, sensorus un saules elementus.
Četru saišu elements, kas var kļūt par ieža karkasu vai precīzi vadāmu elektronu ceļu
Silīcija atomam ir četri valences elektroni. Tas ļauj tam veidot četras stipras kovalentās saites ar blakus esošajiem atomiem.
Tīrā kristāliskā silīcijā katrs atoms savienojas ar četriem citiem silīcija atomiem un izveido trīsdimensiju dimanta tipa režģi.
Dabā silīcijs biežāk savienojas ar skābekli. Silīcija un skābekļa tetraedri var būt atsevišķi, savienoti ķēdēs, gredzenos, slāņos vai nepārtrauktās struktūrās.
Silīcija būtība: tās pašas četras iespējamās saites ļauj tam veidot gan milzīgo silikātu daudzveidību Zemes garozā, gan sakārtotu pusvadītāja kristālu elektronikā.
Četri valences elektroni
Tie ļauj silīcijam veidot izturīgu četru saišu tīklu.
Metaloīda stāvoklis
Silīcijam piemīt gan metāliem, gan nemetāliem raksturīgas īpašības, tāpēc tas ieņem starpstāvokli.
Kontrolējama vadītspēja
Tīrs silīcijs vada elektrību ierobežoti, tomēr tā elektrisko uzvedību var ļoti precīzi mainīt ar nelieliem piemaisījumiem.
Ciets, trausls un pelēki spīdīgs kristāls, kura vadītspēja ir atkarīga no temperatūras, gaismas un piemaisījumiem
| Ķīmiskais simbols | Si |
|---|---|
| Atomskaitlis | 14 |
| Elementa klase | Metaloīds |
| Kristāliskā struktūra | Dimanta kubiskais režģis |
| Cietība | Aptuveni 6,5–7 pēc Mosa skalas |
| Blīvums | Aptuveni 2,33 g/cm³ |
| Kušanas temperatūra | Aptuveni 1414 °C |
| Viršanas temperatūra | Aptuveni 3265 °C |
| Spīdums | Metālisks vai pusmetālisks |
| Krāsa | Tumši pelēks, tērauda pelēks vai zilganpelēks |
| Lūzums | Gliemežveida; materiāls ir trausls |
| Elektroniskā īpašība | Pusvadītājs, kura aizliegtās zonas platums istabas temperatūrā ir aptuveni 1,12 eV |
| Vadītspējas izmaiņas | Didėja kylant temperatūrai, veikiant šviesai arba įterpus tinkamas priemaišas |
Vienas svarbiausių planetos statybinių elementų, tačiau beveik visada pasislėpęs junginiuose
Kvarcas
Silicio dioksidas SiO₂ sudaro kvarcą, ametistą, citriną, kalnų krištolą ir daugelį kitų kvarco atmainų.
Lauko špatai
Silicio, aliuminio, deguonies ir metalų karkasai sudaro vieną gausiausių Žemės plutos mineralų grupių.
Žėručiai
Silikatiniai lakštai leidžia šiems mineralams lengvai skilti plonomis plokštelėmis.
Molio mineralai
Dūlėjant silikatams susidaro itin smulkios lakštinės dalelės, svarbios dirvožemiui ir nuosėdoms.
Piroksenai ir amfibolai
Jų silikatinės grandinės yra svarbios magminėms ir metamorfinėms uolienoms.
Gamtinis silicis
Laisvas elementinis silicis gamtoje labai retas, nes lengvai reaguoja ir tampa oksidais arba silikatais.
Didžiąją Žemės plutos mineralinės architektūros dalį galima suprasti stebint, kaip silicio ir deguonies tetraedrai jungiasi į vis sudėtingesnes formas.
Nuo silicio dioksido uolienoje iki itin grynos medžiagos, kurioje kontroliuojama beveik kiekviena priemaiša
Parenkamas silicio dioksidas
Gamybai naudojamas kvarcas arba labai švarus kvarcinis smėlis.
Silicio dioksidas redukuojamas
Aukštoje temperatūroje elektrinėje krosnyje deguonis pašalinamas naudojant anglies turinčią medžiagą.
Gaunamas metalurginis silicis
Susidaro pilka elementinio silicio masė, dar turinti per daug priemaišų jautriai elektronikai.
Silicis paverčiamas lakiu junginiu
Cheminis tarpinis junginys gali būti distiliuojamas ir atskiriamas nuo daugelio teršalų.
Itin grynas silicis nusodinamas
Iš išgryninto dujinio junginio gaunama labai aukšto grynumo polikristalinė medžiaga.
Medžiaga ruošiama kristalo auginimui
Silicis išlydomas kontroliuojamoje aplinkoje ir naudojamas vienkristaliams arba polikristaliniams ruošiniams formuoti.
Kvarcas gamtoje gali būti beveik skaidrus, tačiau elektronikai reikia ne vien gražios žaliavos. Reikia tokio grynumo, kad net labai menkas nepageidaujamo elemento kiekis nebesugadintų elektrinio elgesio.
Milžiniškas kristalas auginamas taip, kad milijardai atomų tęstų vieną bendrą gardelės kryptį
Nuo lydalo iki plokštelės
Vienkristalis cilindras supjaustomas į labai plonas apskritas plokšteles, vadinamas silicio plokštelėmis. Ant jų vėliau kuriami tranzistoriai, laidininkų takai ir kitos elektroninės struktūros.
Kristalo užuomazga
Mažas tiksliai orientuotas silicio kristalas paliečiamas prie išlydytos medžiagos paviršiaus.
Lėtas traukimas
Užuomazga sukama ir keliama, o prie jos prisijungiantys atomai tęsia tą pačią kristalinę gardelę.
Vienkristalis cilindras
Tinkamai valdant temperatūrą ir traukimo greitį išauga ilgas, vientisos orientacijos kristalas.
Plokštelių pjovimas
Cilindrai supjaustomi plonais diskais, kurių paviršius išlyginamas ir poliruojamas.
Kristalogrāfiskais virziens
Plāksnītes orientāciju izvēlas atbilstoši nākamās ierīces ražošanas un elektriskajām īpašībām.
Polikristālisks silīcijs
Ja materiālu veido daudzi atšķirīgi orientēti kristāliski graudi, to sauc par polikristālisku.
Tā vadītspēju var pietiekami labi kontrolēt, izejviela ir plaši pieejama, un uz virsmas var izveidot stabilu izolējošu oksīda slāni.
Pusvadītāja uzvedība
Silīcijs nav ne labs metālisks vadītājs, ne pilnīgs izolators, tāpēc tā elektronu kustību var kontrolēt.
n tipa silīcijs
Piemaisījumi ar papildu valences elektronu palielina brīvo elektronu skaitu.
p tipa silīcijs
Piemaisījumi, kuriem ir par vienu valences elektronu mazāk, rada elektronu trūkuma vietas, ko sauc par caurumiem.
Tranzistori
Elektriskais lauks kontrolē, vai strāva plūst caur mikroskopisku silīcija kanālu.
Saules elementi
Gaisma silīcijā rada kustīgus lādiņnesējus, kurus iekšējais elektriskais lauks novirza uz elektrisko ķēdi.
Silīcija dioksīda slānis
Uz silīcija virsmas var izaudzēt izturīgu izolējošu SiO₂ slāni, kas ir ļoti svarīgs mikroshēmu ražošanā.
Silīcijs kļuva par tehnoloģiju pamatu nevis tāpēc, ka būtu ideāls vienā aspektā, bet gan tāpēc, ka tā elektriskās, ķīmiskās, termiskās un ražošanas īpašības ārkārtīgi labi darbojas kopā.
Trīs līdzīgi skanoši vārdi apzīmē pilnīgi atšķirīgus materiālus
Silīcijs
Ķīmiskais elements Si. Tīrs kristālisks silīcijs ir tumši pelēks metaloīds un pusvadītājs.
Silīcija dioksīds
Savienojums SiO₂. Tas veido kvarcu un ir svarīga daudzu smilšu, stiklu un iežu sastāvdaļa.
Silikāti
Milzīga minerālu grupa, kurā silīcija un skābekļa vienības savienojas ar alumīniju, magniju, dzelzi, kalciju un citiem elementiem.
Silikons
Sintētisko polimēru grupa, kuras pamatķēdē mijas silīcija un skābekļa atomi.
Stikls
Parasti amorfs silīcija dioksīda un citu oksīdu materiāls, kam nav tālās kristāliskās kārtības.
Silīcija karbīds
Savienojums SiC, kas sastāv no silīcija un oglekļa un kam raksturīga liela cietība un karstumizturība.
Silīcijs nav tas pats, kas silikons. Viens ir elements un pusvadītājs, otrs — polimērmateriāls, kura pamatā ir silīcijs, skābeklis un organiskās grupas.
Elements tika atdalīts no materiāliem, kurus cilvēki izmantoja tūkstošiem gadu, taču ilgu laiku nezināja to patieso ķīmisko dabu.
Silīcija nosaukums saistīts ar latīņu vārdu silex, kas nozīmēja kramu vai cietu, ar silīciju bagātu akmeni.
Cilvēki kopš senākajiem laikiem izmantoja kramu, kvarca smiltis, mālu, keramiku un stiklu, taču elementārais silīcijs šajos materiālos bija ķīmiski saistīts.
19. gadsimta sākumā tika saprasts, ka silīcija dioksīds satur līdz tam neatklātu elementu. 1824. gadā Jönss Jacob Berzelius ieguva diezgan tīru amorfu silīciju.
Vēlāk kristāliskā silīcija īpašības kļuva arvien svarīgākas elektrotehnikā, bet 20. gadsimtā tas kļuva par galveno tranzistoru un integrālo shēmu materiālu.
Silīcija stāstam ir neparasts loks: sākumā tas slēpās akmenī, vēlāk tika atdalīts laboratorijā, bet visbeidzot pats kļuva par materiālu, kurā cilvēce sāka glabāt un apstrādāt informāciju.
Kristāls, kas iemācījās skaitīt
Kalna iežos dzīvoja silīcijs. Tas veidoja kvarca režģi, laukšpata karkasu un vizlas plāksnītes, taču neviens to neredzēja atsevišķi.
Kādu dienu cilvēki to atbrīvoja no skābekļa saitēm, attīrīja un izkausēja.
“Par ko man kļūt?” jautāja silīcijs.
“Vispirms iemācies visus savus atomus sarindot vienā virzienā,” atbildēja kristāla aizmetnis.
Silīcijs lēni auga, līdz kļuva par vienotu kristālu. Tad tā režģī tika ievadīti tikai daži sveši atomi.
Vienā vietā parādījās papildu elektrons, bet citā — tukša vieta, uz kuru tas varēja pārvietoties. Starp tiem sāka plūst kontrolēts signāls.
Tā elements, kas miljardiem gadu veidoja akmeņus, iemācījās skaitīt, atcerēties un pārraidīt cilvēku radītās domas.
Šī nav sena leģenda. Tas ir radošs stāsts, ko iedvesmojis īsts silīcija režģis, piemaisījumu vadītspēja un mikroshēmu darbība.
Struktūra, precīzs savienojums un spēja no daudziem maziem vienumiem izveidot funkcionējošu sistēmu
Mūsdienu simboliskajā valodā silīciju var saistīt ar loģiku, mācīšanos, informācijas apstrādi, sistēmu veidošanu un apzinātu savienojumu veidošanu. Tā ir radoša interpretācija, nevis zinātniski apstiprināta ietekme uz cilvēku.
Četri savienojumi
Viens elements var kļūt stabils nevis, atdaloties, bet precīzi savienojoties ar apkārtējo vidi.
Kristāliskā kārtība
Nelieli noteikumi, kas konsekventi atkārtoti, var izveidot lielu un uzticamu struktūru.
Piemaisījumu nozīme
Neliels jauns elements dažkārt nevis izjauc sistēmu, bet piešķir tai pilnīgi jaunu funkciju.
Pusvadītāja stāvoklis
Ne visam jābūt pilnībā atvērtam vai pilnībā slēgtam — vērtība var slēpties kontrolētā pārejā.
Signāls
Informācija kļūst jēgpilna tikai tad, kad tai ir ceļš, virziens un skaidrs stāvoklis.
No akmens līdz domai
Tas pats materiāls var pildīt pilnīgi atšķirīgu lomu, ja mainās tā tīrības, struktūras un organizācijas kvalitāte.
Skaidras sistēmas rituāls
Šī sausā simboliskā prakse paredzēta darbam vai projektam, kurā ir daudz atsevišķu detaļu, bet vēl nav skaidras funkcionējošas struktūras.
Kas būs nepieciešams
- viena silīcija parauga;
- papīra lapas;
- pildspalvas;
- viena sarežģīta uzdevuma vai projekta.
Četri galvenie savienojumi
Uzrakstiet četras svarīgākās projekta daļas, bez kurām sistēma nevarētu darboties.
Režģa noteikums
Pie katras daļas pierakstiet vienu skaidru noteikumu, saskaņā ar kuru tai jādarbojas.
Signāla ceļš
Nubrėžkite, kaip informacija, sprendimas ar medžiaga juda iš vienos dalies į kitą.
Noderīgs piemaisījums
Nosauciet vienu nelielu pārmaiņu, kas varētu piešķirt sistēmai jaunu funkciju vai novērst lielāko traucēkli.
Buramvārdi
Novietojiet silīciju lapas centrā un trīs reizes izrunājiet:
Es redzu saiknes, veidoju kārtību,
sistēmu savienoju mazos vienumos.
Noslēgums
Pasakiet: „Man nav viss jāizveido vienlaikus. Pietiek precīzi savienot nākamo svarīgāko daļu.“
Biežāk uzdotie jautājumi par silīciju
Kas ir silīcijs?
Vai silīcijs ir metāls?
Vai silīcijs ir minerāls?
Kāda ir silīcija kristāliskā struktūra?
Kāda ir silīcija cietība?
Kāpēc silīcijs ir pusvadītājs?
Kas ir n tipa un p tipa silīcijs?
Vai silīcijs un silīcija dioksīds ir viens un tas pats?
Vai silīcijs un silikons ir viens un tas pats?
Ko silīcijs simbolizē mūsdienu iztēlē?
Silīcijs parāda, kā viena un tā pati atomārā īpašība var veidot kalnus, caurspīdīgu kvarcu, saules elementus un mikroskopiskus loģiskos vārtus
Dabā silīcijs gandrīz vienmēr atrodas savienojumos ar skābekli un citiem elementiem, veidojot milzīgu silikātu minerālu daudzveidību.
Rūpniecībā to iegūst no silīcija dioksīda, attīra un izaudzē par sakārtotiem monokristāliem.
Ievietojot režģī ļoti nelielu daudzumu piemērotu piemaisījumu, tajā rodas papildu elektroni vai caurumi, un elektriskais signāls kļūst vadāms.
Ķīmijā silīcijs ir četrpadsmitais elements. Simboliskajā valodā tas var atgādināt, ka sarežģītas sistēmas ne vienmēr rodas no viena liela risinājuma — tās rodas tad, kad daudzi mazi savienojumi ir izkārtoti tik precīzi, ka sāk darboties kā viena doma.