Silīcijs
Linas JuozėnasDalīties
Silīcijs: tetraedrisks elements, kas saista akmeni, stiklu, gaismu un loģiku
Silīcijs saista divus mērogus, kas, stāstot par vienu un to pašu materiālu, reti tiek aplūkoti kopā. Zemes garozā tas veido karkasus, ķēdes, slāņus un atsevišķus tetraedrus ar skābekli centrā, no kuriem rodas kvarcs, laukšpats, māls, vizla, piroksēns, amfibols un daudzi citi minerāli. Attīrīts līdz elementārajai formai, tas pats atoms kļūst par precīzi kontrolējamu pusvadītāju, kura vadītspēju var mainīt ar ārkārtīgi nelieliem bora, fosfora un citu līdzīgu leģējošu piemaisījumu daudzumiem. Tā vērtību nosaka nevis metāla bagātība vai dārgakmens krāsa, bet gan struktūra: četras kovalentās saites, stabils oksīds, regulējams aizliegtās zonas platums un ražošanas sistēma, kas ļauj uz pulētas kristāla virsmas izveidot miljardiem ierīču.
Īsi fakti
Elementārais silīcijs ir pusvadītājs ar kovalentām saitēm, nevis parasts metāls. Tā pulētā virsma var izskatīties metāliska, taču elektriskās īpašības, trauslais lūzums, optiskā absorbcija un kristāliskā struktūra, kurā katram atomam ir četri kaimiņi, to ierindo citā materiālu kategorijā. Gandrīz viss dabā sastopamais silīcijs ir ķīmiski savienojies ar skābekli un citiem elementiem; kolekcijām piemērota izmēra elementārā silīcija paraugi parasti ir attīrīti vai izaudzēti laboratorijā.
| Termins | Nozīme | Svarīga atšķirība |
|---|---|---|
| Silīcijs | Ķīmiskais elements Si elementārās vielas, sakausējuma, kristāliska, polikristāliska vai amorfa materiāla veidā. | Elementārais silīcijs nav ne kvarcs, ne lokans silikona polimērs. |
| Silīcija dioksīds | Silīcija dioksīds, SiO₂, sastopams kvarca, tridimīta, kristobalīta, koezīta, stišovīta, opāla, stikla un radniecīgās formās. | Silīcija dioksīds satur skābekli, un tā īpašības ievērojami atšķiras no elementārā silīcija īpašībām. |
| Silikāts | Liela minerālu un materiālu grupa, kuru struktūras pamatā ir silīcija un skābekļa tetraedri, kas saistīti ar metāliem un citiem katjoniem. | Laukšpats, vizla, māls, piroksēns, amfibols, olivīns un granāts ir silikāti, nevis elementārais silīcijs. |
| Silikons | Sintētisko polisiloksāna materiālu grupa, kuru polimēra pamatķēdē pārmaiņus izvietoti silīcija un skābekļa atomi. | Silikoni var būt līdzīgi gumijai, šķidri, sveķaini vai lipīgi; tie nav elementārais silīcijs. |
| Silīcija karbīds | SiC ir cieta kovalenta keramika, kas dabā sastopama kā rets moisanīts un tiek ražota dažādos tehniskos pielietojumos izmantojamos veidos. | Tas ir cietāks un blīvāks, un tā optiskās īpašības atšķiras no elementārā silīcija īpašībām. |
| Polisīcijs | Augstas tīrības polikristālisks silīcijs, ko pusvadītāju un fotoelementu izstrādājumu ražošanai nogulsnē stieņu, gabalu vai granulu veidā. | Nosaukums norāda uz daudziem kristāla graudiem, nevis uz silīciju saturošu polimēru. |
| Monokristālisks silīcijs | Viengabalains kristāls ar vienādu kristalogrāfisko orientāciju visā izmantotajā tilpumā. | Lielāko daļu integrālo shēmu plāksnīšu izgatavo no rūpīgi izaudzētiem monokristāliskiem lietņiem. |
| Amorfais silīcijs | Nekristālisku silīciju, ko uzklāj kā plānu kārtiņu, parasti hidrogenē, lai samazinātu elektronisko defektu skaitu. | Tam nav raksturīga silīcija kristālā esošā dimantam līdzīgās kubiskās struktūras tālā kārtība. |
Identitāte, nosaukums un robeža starp elementu un minerālu
Silīcijs ir elements, nevis vispārīgs nosaukums visiem silīciju saturošajiem materiāliem. Šī atšķirība ir svarīga, jo elementārais silīcijs ir tumšs, necaurspīdīgs un trausls pusvadītājs ar dimantam līdzīgu kubisku kristālisko struktūru, savukārt kvarcs ir caurspīdīgs vai puscaurspīdīgs silīcija dioksīds, bet silikons ir sintētisks polimērs.
Nosaukuma izcelsme meklējama vārdos, kas saistīti ar kramu un cietu akmeni. Agrīnie ķīmiķi saprata, ka silīcija dioksīdā, visticamāk, ir nezināms elements, ilgi pirms viņiem izdevās to izolēt. Mūsdienu angļu forma silicon tika pieņemta vēl pirms bija pieejami pietiekami tīri paraugi detalizētiem fizikāliem pētījumiem.
Par dabisku elementāro silīciju ziņots pētījumos par retiem meteorītiem un spēcīgi reducējošu vidi uz Zemes, taču šādi atradumi parasti ir mikroskopiski, un tie jāapstiprina ar analītiskiem pētījumiem. Plaukstas lieluma paraugs ar marķējumu „silīcijs” gandrīz vienmēr ir rūpniecisks materiāls: metalurģiskais silīcijs, polisilīcijs, no kausējuma izaudzēts kristāls, plāksnīte vai apstrādāta detaļa.
Elementārais silīcijs
Kovalentais kristāls, kas sastāv tikai no silīcija atomiem, neskaitot leģējošās piedevas, piemaisījumus, virsmas oksīdu un apstrādes laikā izveidojušos slāņus.
Silīcija dioksīds
Silīcija dioksīds kristāliskā, stiklveida, opālveida vai augstspiediena formā. Tā skābekļa karkass nosaka pilnīgi atšķirīgas optiskās un ķīmiskās īpašības.
Silikātu minerāli
Minerāli, kuros silīcija un skābekļa tetraedri saistās ar alumīniju, magniju, dzelzi, kalciju, nātriju, kāliju un citiem elementiem.
Silīcija sakausējumi
Ferrosilīcijā un alumīnija un silīcija sakausējumos ir ievērojams silīcija daudzums, taču tiem piemīt daudzfāžu metālu materiālu, nevis tīru pusvadītāju īpašības.
Silikoni
Rūpnieciski ražoti polimēri, kuru elastību, blīvēšanas īpašības, termisko stabilitāti un virsmas īpašības nosaka galvenā Si–O ķēde ar organiskām sānu grupām.
Kolekcionāru terminoloģija
Aprakstos jānorāda, vai paraugs ir metalurģiskas tīrības, polisilīcijs, monokristālisks, polikristālisks, plāksnītēm paredzēts materiāls, pārklāts, leģēts vai apstrādāts.
Atomu uzbūve: kāpēc četras saites maina visu
Normālā spiedienā kristāliskajam silīcijam ir dimanta tipa kubiskā struktūra. Katrs atoms saistās ar četriem kaimiņu atomiem, kas izvietoti tetraedra virsotņu virzienos. Šis atvērtais, virzītais tīkls izskaidro silīcija trauslumu, šķelšanos, pusvadītāja enerģētisko joslu struktūru, salīdzinoši zemo blīvumu un neparasto izplešanos sacietējot.
Tetraedriska koordinācija
Katrs silīcija atoms veido četras stipras kovalentās saites, kuru ideālais savstarpējais leņķis ir aptuveni 109,5°. Šī ģeometrija kristālā atkārtojas trīs dimensijās.
Dimanta tipa kubiskais režģis
Šo struktūru var raksturot kā divus savstarpēji caurvītus, vienu pret otru nobīdītus kubiskus, centrētas skaldnes apakštīklus.
Kaļamība un šķelšanās
Monokristāli var šķelties pa {111} plaknēm. Atlūzās redzamas arī izliektas gliemežveida lūzuma virsmas, īpaši vietās, kur lūzums nevirzās pa vienu skaidri izteiktu plakni.
Izplešanās cietējot
Šķidrā silīcijā atomi ir izvietoti blīvāk nekā atklātajā tetraedriskajā cietā silīcija struktūrā, tāpēc, cietējot, materiāls izplešas — neparasta īpašība, kas raksturīga arī ūdenim un dažām radniecīgām vielām.
Augstspiediena struktūras
Pakļauts ārkārtīgi augstam spiedienam, silīcijs pārvēršas blīvākās fāzēs ar metāliskām īpašībām. Tas liecina, ka elektriskās īpašības ir atkarīgas ne tikai no sastāva, bet arī no atomu izkārtojuma.
Izotopiskais sastāvs
Dabiskajā silīcijā dominē ²⁸Si, bet ²⁹Si un ³⁰Si ir mazākā daudzumā. Izotopu attīrīšana ir svarīga precīzajā metroloģijā un dažos kvantu ierīču pētījumos.
Monokristāls
Viena nepārtraukta kristalogrāfiskā orientācija ļauj paredzēt elektrisko transportu, kontrolēt šķelšanos un nodrošināt ierīču ražošanas atkārtojamību.
Polikristālisks silīcijs
Daudzi dažādi orientēti graudi saskaras robežās, kas var uztvert lādiņu, izkliedēt lādiņnesējus, koncentrēt piemaisījumus vai veicināt lūzumu.
Amorfais silīcijs
Nav tālās kārtības. Izmantojot plānslāņu elektronikā, daudzas pārrautas saites parasti pasivē ar ūdeņradi.
Porains un nanostrukturēts silīcijs
Kontrolēta kodināšana vai audzēšana rada poras, stieples, daļiņas un fotoniskas struktūras, kuru īpašības atšķiras no masīva kristāla īpašībām.
Silīcijs uz Zemes: tetraedri, dēdēšana, nogulumi un dzīvība
Silīcijs ir otrais izplatītākais elements pēc masas Zemes garozā, taču lielākā daļa tā ir savienojumā ar skābekli. SiO₄ tetraedrs ir viena no svarīgākajām mineraloģijas struktūrvienībām; šie tetraedri savienojas dažādos veidos un veido iežus no mantijas līdz kontinentu virsmai.
| Struktūras izkārtojums | Kā savienojas tetraedri | Raksturīgie materiāli |
|---|---|---|
| Atsevišķi tetraedri | Katrs SiO₄ vienums paliek atsevišķs un saistās ar citiem caur citiem katjoniem. | Olivīns, granāts, cirkons un daudzi mantijas vai metamorfo iežu minerāli. |
| Pāru grupas un gredzeni | Tetraedri dala noteiktus skābekļa atomus, veidojot dubultvienības vai noslēgtus gredzenus. | Epidota grupas struktūras, berils, turmalīns un radniecīgi minerāli. |
| Vienkāršās ķēdes | Katrs tetraedrs dala divus skābekļa atomus, veidojot garu ķēdi. | Piroksēni, piemēram, augīts, diopsīds un enstatīts. |
| Dubultās ķēdes | Divas tetraedru ķēdes periodiski savienojas, veidojot platākas joslas. | Amfiboli, piemēram, ragneklis un tremolīts. |
| Slāņi | Kiekvienas tetraedrs dalās ar trim skābekļa atomiem un veido plašus slāņus. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasai | Visas četras tetraedra virsotnes piedalās trīsdimensiju tīklā. | Laukšpati, feldšpatoīdi, ceolīti, kvarcs un kvarca stikls. |
Magmatiskie ieži
Silīcija saturs un piesātinājums ar silīcija dioksīdu palīdz noteikt magmas viskozitāti, minerālu asociāciju, izvirduma raksturu un to, vai kristalizēsies kvarcs, laukšpats, piroksēns, olivīns vai feldšpatoīdi.
Dēdēšana un augsne
Silikātiem dēdot, izdalās izšķīdusi silīcijskābe un veidojas māla minerāli, bet ģeoloģiskos laikposmos tiek patērēts atmosfēras oglekļa dioksīds.
Smiltis un nogulumi
Kvarcs saglabājas daudzos dēdēšanas ciklos un uzkrājas smiltīs, smilšakmenī, pludmales nogulumos, kāpās un upju sistēmās.
Biogēns silīcija dioksīds
Kramaļģes, radiolārijas, daudzas sūkļus un augu fitolīti veido struktūras no hidratēta vai amorfa silīcija dioksīda, kas uzņemts no ūdens vai augsnes.
Silīcija uzvedība Zemes dzīlēs
Mantijā silīcijs ietilpst augstspiediena silikātu sastāvā. Pie vēl lielāka spiediena koordinācija mainās, un stabilas kļūst blīvas struktūras.
Silīcija dioksīda diagēnēze
Biogēns opāls un vulkāniskais stikls, kas aprakti zem nogulumiem, var pārveidoties par opālu-CT, halcedonu vai kvarcu, tādējādi mainot porainību un ieža stiprību.
Fizikālās, termiskās, ķīmiskās un optiskās īpašības
Atskaites vērtības ir atkarīgas no temperatūras, kristāla orientācijas, piemaisījumu koncentrācijas, lādiņnesēju blīvuma, graudu struktūras un virsmas apstrādes. Tāpēc pusvadītāju kvalitātes monokristāla īpašības ir reproducējamākas nekā metalurģiskā silīcija gabalam, kurā ir dzelzs, alumīnijs, kalcijs, ogleklis un citi piemaisījumi.
| Īpašība | Tipiskā vērtība vai uzvedība | Praktiskā nozīme |
|---|---|---|
| Atomskaitlis | 14. | Nosaka silīcija vietu 3. periodā starp alumīniju un fosforu, kā arī oglekļa grupā. |
| Standarta atommasa | 28,085. | Atspoguļo dabisko trīs stabilo izotopu maisījumu. |
| Kristāliskā sistēma | Kubiska, ar dimanta struktūru; telpiskā grupa Fd3̅m. | Nosaka šķeltnes virzienu, anizotropās mehāniskās īpašības, elektroniskās enerģijas joslas un plāksnītes orientāciju. |
| Blīvums | Aptuveni 2,329 g/cm³ temperatūrā, kas tuva istabas temperatūrai. | Vieglāks par galenītu, hematītu, silīcija karbīdu un lielāko daļu metāliski izskatīgu līdzīgu materiālu. |
| Cietība | Aptuveni 6,5–7 pēc Mosa skalas. | Izturīgs pret parasta tērauda skrāpējumiem, taču to var saskrāpēt kvarcs, korunds, dimants un cieti abrazīvi putekļi. |
| Šķeltne un lūzums | Izteikta šķeltne pa {111} plaknēm; citos virzienos lūzums ir gliemežnīcveida vai nelīdzens. | Plānas plāksnītes un asas šķembas var pēkšņi lūzt, tās liecot vai spiežot uz to malu. |
| Kušanas temperatūra | Aptuveni 1414 °C. | Ļauj audzēt kristālus no kausējuma, taču tam nepieciešamas kontrolētas kristālu audzēšanas sistēmas, kas iztur augstu temperatūru. |
| Viršanas temperatūra | Aptuveni 3265 °C. | Svarīgs apstrādē augstā temperatūrā un piesārņojuma kontrolē tvaika fāzē. |
| Siltumvadītspēja | Augstas tīrības monokristālam, tuvu istabas temperatūrai, aptuveni 148 W/m·K. | Liels, salīdzinot ar citiem pusvadītājiem un keramikai līdzīgām cietām vielām, taču mazāks nekā varam vai sudrabam. |
| Termiskā izplešanās | Neliels; tā virzienatkarīgo raksturu ierobežo kubiskā kristālrežģa struktūra. | Noderīgs precīzijas ierīcēs, lai gan temperatūras gradientu dēļ plāksnītes joprojām var saplīst. |
| Aizliegtās zonas platums | Netiešā aizliegtā zona, kuras platums istabas temperatūrā ir aptuveni 1,12 eV. | Piemērots elektronikai un saules enerģijas pārvēršanai elektrībā, taču neizstaro gaismu tik efektīvi kā tiešās aizliegtās zonas pusvadītāji. |
| Redzamās gaismas optika | Spēcīgi absorbē gaismu un parastā masīvā formā izskatās necaurspīdīgs. | Pulētas plāksnītes zem virsmas pārklājumiem izskatās tumši pelēkas, brūnganpelēkas vai gandrīz melnas. |
| Infrasarkanā optika | Augsts laušanas koeficients un praktiskai lietošanai piemērota caurlaidība dažos tuvajā un vidējā infrasarkanā starojuma diapazonos. | Ļauj izgatavot infrasarkanos lēcas, lodziņus, sensorus un integrētās fotonikas ierīces. |
| Dabiskais virsmas oksīds | Gaisā dabiski veidojas plāna silīcija oksīda kārtiņa; biezāku augstas kvalitātes oksīda slāni rūpniecībā izaudzē vai uzklāj. | Pasivē virsmu un veido tehnoloģiski vērtīgu saskarni. |
| Ķīmiskās īpašības | Virsmas oksīda dēļ tas ir stabils ūdenī un istabas temperatūrā izturīgs pret daudzām skābēm; to ietekmē specializēti kodinātāji un stipri sārmi. | Tīrīšana ar mājsaimniecības līdzekļiem parasti nav nepieciešama; tā var sabojāt pārklājumus vai metalizācijas slāņus. |
Pusvadītāju fizika: lādiņnesēji, leģējošie piemaisījumi, pārejas un saskarnes
Tīrā kristāliskā silīcijā istabas temperatūrā, salīdzinot ar metālu, ir ļoti maz kustīgu lādiņnesēju. Tā praktiskā lietderība atklājas, kad temperatūra, gaisma, elektriskie lauki un rūpīgi izvēlēti piemaisījumi maina elektronu un caurumu skaitu un kustību.
Tīrais silīcijs
Šiluminė energija retkarčiais pārnes elektroną pāri draustinajai zonai, atstājot kustīgu brīvu stāvokli, ko sauc par caurumu. Elektronu un caurumu skaits ir vienāds.
n tipa silīcijs
Donorų atomai, pavyzdžiui, fosforo, arseno ar stibio, suteikia elektronų, kurie kristalu juda lengviau nei savieji krūvininkai.
p tipa silīcijs
Akceptoru atomi, visbiežāk bora atomi, rada kustīgus caurumus, kas valences joslas struktūrā darbojas kā pozitīva lādiņa nesēji.
p–n robežvirsma
Vietā, kur saskaras p tipa un n tipa apgabali, lādiņam pārdaloties, rodas iekšējs elektriskais lauks. Diožu, fotodiožu, tranzistoru un saules elementu darbība ir atkarīga no šīs robežvirsmas īpašībām.
MOS robežvirsma
Kontrolētos apstākļos izveidots oksīda vai līdzīga dielektriķa slānis atdala aizvara elektrodu no silīcija. Pēc tam elektriskie lauki pie robežvirsmas izveido vai likvidē vadītspējīgu kanālu.
Defekti un lamatas
Vakances, dislokācijas, piemaisījumi, graudu robežas, nepiesātinātās saites un piesārņotas virsmas var uztvert lādiņu vai saīsināt lādiņnesēju dzīves ilgumu.
| Materiāla stāvoklis | Dominējošie lādiņnesēji | Kā iegūst | Parastais pielietojums |
|---|---|---|---|
| Tīrais silīcijs | Vienāds skaits termiski radītu elektronu un caurumu. | Īpaši tīrs kristāls bez apzināti pievienotiem elektriski aktīviem leģējošiem piemaisījumiem. | Atskaites punkts īpašību novērtēšanai, detektoru materiāls un sākotnējais pamats ierīču projektēšanai. |
| n tipa silīcijs | Elektroni. | Mērķtiecīga leģēšana ar donoru piemaisījumiem, bieži fosforu, arsēnu vai antimonu. | Tranzistoru apgabali, kontakti, diodes, sensori un saules elementu struktūras. |
| p tipa silīcijs | Caurumi. | Mērķtiecīga leģēšana ar akceptoru piemaisījumiem, visbiežāk boru. | Pamatnes, tranzistoru apgabali, pārejas, sensori un fotoelektriskās ierīces. |
| Kompensēts silīcijs | Nosaka donoru un akceptoru atomu līdzsvars. | Ir abu veidu leģējošie piemaisījumi, kas pievienoti apzināti vai nonākuši materiālā piesārņojuma dēļ. | Precīza īpatnējās pretestības kontrole vai nevēlamu piemaisījumu ietekmes kompensēšana. |
| Degeneratīvi leģēts silīcijs | Ļoti augsta elektronu vai caurumu koncentrācija. | Intensīva leģēšana implantācijas, difūzijas vai kristāla audzēšanas laikā. | Kontakti un apgabali ar mazu pretestību, kuru īpašības daļēji līdzinās vadītājiem. |
No kvarca līdz elektronikai paredzētam kristālam
Silīcija ražošana ir posmu secība, kurā arvien precīzāk kontrolē ķīmisko sastāvu un struktūru. Kvarcu reducē līdz metalurģiskajam silīcijam, to attīra, izmantojot gaistošus savienojumus, izgulsnē kā polisilīciju, kristalizē lietnī, sagriež plāksnītēs, un pēc tam tajā veido struktūras, izmantojot simtiem stingri kontrolētu tehnoloģisko posmu.
- Karboteriskā reducēšanaAugstas tīrības kvarcs vai kvarcīts reaģē ar oglekli krāsnī ar iegremdētu elektrisko loku. Vienkāršots kopējās reakcijas vienādojums: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Metalurģiskās tīrības silīcijsKrāsnī iegūtajā produktā parasti ir aptuveni 98–99 % silīcija, bet piemaisījumu daudzums joprojām ir krietni par lielu progresīvai elektronikai.
- Ķīmiskā pārveideĶīmiskās reakcijās silīciju pārvērš gaistošos hlorosilānos vai silānā, tādējādi to var atkārtoti destilēt un ķīmiski attīrīt.
- Polisilīcija nogulsnēšanaAttīrītās gāzes sadalās uz sakarsētām virsmām vai verdošā slāņa sistēmās un veido īpaši tīrus stieņus vai granulas.
- Kristālu audzēšanaVelkot kristālu pēc Čohralska metodes vai attīrot ar bezkroģeļa zonas kausēšanas metodi, iegūst monokristālus ar kontrolētām īpašībām; lejot vai izmantojot virzīto kristalizāciju, iegūst multikristālisku materiālu.
- Plāksnīšu ražošanaPirms ierīču ražošanas sākšanas lējumus orientē un sagriež plāksnītēs, to malas noapaļo, bet virsmas nogludina, kodina un pulē.
Kvarcu reducē augstā temperatūrā
Elektriskajā krāsnī notiekošajās ķīmiskajās reakcijās oglekli saturošie materiāli atdala skābekli, un veidojas izkausēts silīcijs ar kontrolētu, bet joprojām lielu piemaisījumu daudzumu.
Silīciju pārvērš attīrīšanai piemērotās gāzēs
Gaistošie savienojumi ļauj ķīmiskās apstrādes ceļā atdalīt boru, fosforu, metālus, oglekli saturošas ķīmiskās daļiņas un citus piesārņotājus.
Nogulsnē īpaši tīru polisilīciju
Tīrību, kuras procentuālajā izteiksmē ir daudz devītnieku, panāk tāpēc, ka katrā apstrādes posmā tiek atdalīti vai izņemti piemaisījumi, kas citādi mainītu lādiņnesēju dzīves ilgumu un īpatnējo pretestību.
Nosaka kristāla orientāciju
Sēklas kristāls virza augšanu, lai augošajā lējumā saglabātu izvēlēto orientāciju un kontrolētu leģējošo piemaisījumu koncentrāciju.
Lējums tiek pārveidots par plāksnītēm
Ar stiepļu zāģi sagriež plānus diskus. Apstrādājot malas, ķīmiski kodinot un veicot ķīmiski mehānisko pulēšanu, iegūst līdzenu virsmu ar nelielu defektu skaitu.
Ierīces veido slāņos
Oksidējot, veicot nogulsnēšanu un litogrāfiju, kodinot, implantējot, veicot difūziju, tīrot, atkvēlinot un metalizējot, visā plāksnītē izveido elektroniskās struktūras.
Rūpnieciskās formas, kristālu veidi un kolekcionējami paraugi
Elementārā silīcija paraugi parasti ir ražošanas produkti, nevis ģeoloģisko ekspedīciju atradumi. Tāpēc visnoderīgākā informācija par to izcelsmi ir saistīta ar rūpniecību: ražošanas process, tīrības klase, audzēšanas metode, kristāla orientācija, pārklājums, ražotājs, datums un sākotnējais pielietojums.
Metalurģiskais silīcijs
Tumši, tērauda pelēki gabali ar spīdīgām lūzuma virsmām, nevienmērīgi izkliedētiem piemaisījumiem, stiklveida lūzumu un dažkārt zilganu vai bronzas krāsas virsmas pārklājumu.
Polisilīcija stienis
Augstas tīrības pakāpes uzklāts silīcijs ar matētu, kunkuļainu, graudainu vai ziedkāpostam līdzīgu virsmu ap centrālo pavedienu.
Polikristāliskā silīcija granulas
Smalkas, irdenas daļiņas, kas izgatavotas tā, lai tās būtu ērti apstrādāt un kausēt kristālu audzēšanai vai fotoelementu ierīču ražošanai.
Monokristālisks lietnis
Cilindrisks vai citādas formas kristāls, kura orientācija, diametrs, skābekļa saturs, leģējošais piemaisījums un īpatnējā elektriskā pretestība tiek rūpīgi kontrolēti.
Spoguļpulēta plāksne
Plāns, īpaši plakans disks ar ierobu vai taisnu malas posmu orientācijas noteikšanai. Krāsu var radīt oksīda, nitrīda, fotorezista vai daudzslāņu plēves.
Daudzkristālu plāksne
Šķēlums ar daudziem kristāliskajiem graudiem, kas bieži izceļas ar iegravētām robežām, virziena tekstūru vai atšķirīgu atstarošanu.
Dendrītiskais silīcijs
No kausējuma, kontrolēti dzesējot, izaudzētas zarotas kristālu formas, nevis kristāli, kas radušies minerāliem parasti augot dabā.
Amorfā silīcija plēve
Plāns uzklāts slānis, ko izmanto elektronikā, detektoros, ekrānos un fotoelementu struktūrās, nevis atsevišķs kolekcionējams kristāls.
Ar Čohraļska metodi audzēts silīcijs
Audzēts no silīcija dioksīda kausējuma tīģelī. Tajā var kontrolēt skābekļa daudzumu, kas ietekmē mehānisko izturību un defektu uzvedību.
Silīcijs, kas audzēts ar bez tīģeļa zonas kausēšanas metodi
Šaura izkausēta zona bez tīģeļa pārvietojas gar stieni, iegūstot silīciju ar īpaši mazu skābekļa saturu un augstu īpatnējo elektrisko pretestību.
Daudzkristālu silīcijs saules elementiem
Tradicionāli to lēja blokos, kuros bija daudz kristālisko graudu. Graudu robežu un piemaisījumu dēļ nepieciešama pasivācija un rūpīga saules elementu projektēšana.
Tehnoloģiski apstrādāta mikroshēma
Nogriezts plāksnes gabaliņš ar tranzistoriem, sensoriem, savienojošiem vadiem, optiskām struktūrām vai testa rakstiem. Tā redzamās krāsas galvenokārt rada virsmas plēves.
Vēsturiska plāksne
Plāksne ar dokumentētu izcelsmi, kas saistīta ar atpazīstamu pētniecības programmu, ražošanas līniju, ierīču paaudzi vai iestādi, var būt tehnoloģiski nozīmīga un vērtīgāka par tās materiālo vērtību.
Rets silīcija tīrradnis
Dabiskā elementārā silīcija graudi parasti ir mikroskopiski, tos nosaka ar analītiskām metodēm, un tie atrodami meteorītā vai neparastā Zemes izcelsmes matricā, nevis tiek pārdoti kā lieli atsevišķi kristāli.
Virsmas ķīmija, plāno kārtiņu krāsas un infrasarkanā gaisma
Nepārklāts silīcijs dabiski nav spilgti zils, violets vai zeltains. Šīs krāsas parasti rodas, gaismai atstarojoties gan no caurspīdīgās plānās kārtiņas augšējās, gan apakšējās robežas. Pat nelielas oksīda vai nitrīda biezuma izmaiņas ievērojami maina interferenču krāsu.
Dabiskais oksīds
Saskarē ar gaisu izveidojas ļoti plāns oksīda slānis, kas ķīmiski pasivē virsmu, taču var būt pārāk plāns, lai radītu spilgtu, skaidri saskatāmu krāsu.
Termiskais oksīds
Kontrolēti oksidējot, izveido blīvu SiO₂ slāni, kura biezumu var izmērīt ar optiskām metodēm un izvēlēties izolēšanai, maskēšanai un virsmas īpašību pārvaldībai.
Silīcija nitrīds
Si₃N₄ pārklājumus izmanto pasivācijai, mehānisko spriegumu pārvaldībai, maskēšanai un atstarošanas samazināšanai. To interferenču krāsas var līdzināties oksīda krāsām vai būt spilgtākas par tām.
Fotorezists un tehnoloģiskās kārtiņas
Organiskie rezisti, metāli, dielektriķi un daudzslāņu struktūras rada papildu krāsas, kas neatspoguļo paša elementārā silīcija tilpuma krāsu.
Caurspīdīgums infrasarkanajam starojumam
Zem absorbcijas robežas pietiekami tīrs silīcijs laiž cauri daļu infrasarkanā spektra un tam ir augsts laušanas koeficients.
Brīvo lādiņnesēju absorbcija
Spēcīgas leģēšanas rezultātā rodas kustīgi lādiņnesēji, kas absorbē infrasarkano starojumu un sašaurina lietderīgo optisko logu.
| Novērotā pazīme | Iespējamais cēlonis | Kas jāņem vērā, to novērtējot |
|---|---|---|
| Vienmērīgi tēraudpelēka lūzuma virsma | Svaiga elementārā silīcija virsma ar plānu dekoratīvu virsmas kārtiņu. | Metalurģiskie piemaisījumi var padarīt virsmu tumšāku vai plankumainu. |
| Zila, violeta, sārta vai dzintara krāsas plāksnīte | Plāno kārtiņu interference, ko izraisa oksīds, nitrīds, rezists vai daudzslāņu tehnoloģiskā apstrāde. | Krāsa vien neatklāj leģējošā piemaisījuma veidu, tīrību vai ierīces pielietojumu. |
| Spoguļmelna pulēta virsma | Redzamās gaismas absorbcija kopā ar īpaši līdzenu atstarojošu virsmu. | Tumšs izskats nenozīmē, ka materiāls ir amorfs vai netīrs. |
| Matinis polikristalinis paviršius | Daug smulkių kristalinių sienelių, grūdelių ribų, nusodintų gumburėlių arba cheminis ėsdinimas. | Tekstūra gali atsirasti gamybos metu, o ne dėl natūralios kristalizacijos. |
| Radialinės arba sūkurinės žymės ant plokštelės | Poliravimas, valymas, netolygus nusodinimas, kristalo augimo ruoželiai arba technologinio proceso likučiai. | Norint atskirti gamybos pėdsakus nuo pažeidimų, gali prireikti profesionalaus mikroskopinio tyrimo. |
| Taisyklinga įranta arba tiesi briaunos atkarpa | Gamybos metu suformuotas orientavimo ir tvarkymo elementas. | Tai nėra natūralus skilimo pažeidimas. |
Taikymo sritys: nuo uolienas sudarančių junginių chemijos iki programuojamų paviršių
Silicio reikšmė gerokai peržengia kompiuterių procesorių ribas. Jo junginiai vyrauja geologinėse medžiagose, o išgrynintas elementinis silicis naudojamas energijai keisti, jutikliuose, mechanikoje, optikoje, chemijoje ir tiksliesiems matavimams.
Stiklas ir keramika
Iš silicio dioksido ir silikatų gaminami langų stiklai, pluoštai, optinis stiklas, porcelianas, ugniai atsparios medžiagos, glazūros, laboratoriniai indai ir techninė keramika.
Cementas ir betonas
Kalcio silikatai lemia didžiąją dalį portlandcemenčio hidratacijos ir betono stiprio didėjimo.
Integriniai grandynai
Silicio plokštelėse kuriamos loginės, atminties, analoginės elektronikos, galios valdymo, ryšių ir mišriųjų signalų sistemos.
Fotovoltika
Kristalinis silicis sugeria saulės šviesą, sandūrose atskiria šviesos sukurtus krūvininkus ir tebėra daugumos įprastų saulės modulių pagrindas.
MEMS ir jutikliai
Iš mikromechaniškai apdoroto silicio gaminami akcelerometrai, slėgio jutikliai, mikrofonai, giroskopai, skysčių valdymo sistemos ir rezonansinės struktūros.
Infraraudonoji optika ir fotonika
Didelis lūžio rodiklis ir infraraudonosios spinduliuotės pralaidumas leidžia kurti bangolaidžius, moduliatorius, detektorius, lęšius ir integrinius optinius grandynus.
Metalurginiai lydiniai
Silicis gerina liejamąsias savybes, deoksiduoja plieną, keičia aliuminio lydinių savybes ir įeina į karščiui atsparių silicidų sudėtį.
Silikoninės medžiagos
Pramoninės silicio chemijos galutiniai produktai apima sandariklius, elastomerus, tepalus, kapsuliavimo medžiagas, medicininiam naudojimui tinkamas medžiagas ir karščiui atsparius polimerus.
Tikslioji metrologija
Ypač gryni, kontroliuojamos izotopinės sudėties silicio kristalai ir rutuliai naudojami matmenims matuoti ir fundamentaliosioms konstantoms tirti.
Kvantiniai įtaisai
Izotopiškai išgrynintas silicis gali sumažinti magnetinį triukšmą aplink sukiniu pagrįstas kvantines būsenas ir suteikti gerai išplėtotą gamybos platformą.
Atpazīšana un materiāli, ar kuriem to visbiežāk jauc
Masīvu elementāro silīciju visdrošāk atpazīt pēc pazīmju kopuma: zems blīvums materiālam ar metālisku izskatu, trausls gliemežnīcveida lūzums, tumši pelēka krāsa, cieta virsma, metāliem raksturīgās kaļamības trūkums un rūpnieciska izcelsme. Izgatavotas plāksnītes vieglāk atpazīt pēc ģeometrijas, ieroba, pulējuma un tehnoloģiskajiem slāņiem, nevis veicot lauka pārbaudes.
Nesagraujošās pārbaudes secība
Pirms pārbaudāt kādu spīdīgu virsmu, apskatiet visu objektu. Rūpnieciska materiāla iepakojums, etiķetes, apstrādes pēdas, orientācijas ierobi un ar to saistītais aprīkojums var sniegt vairāk informācijas nekā pats lūzums.
- Nosakiet objekta veiduAtšķiriet kausētavā iegūtu silīciju, polisilīciju, monokristālu, plāksnīti, mikroshēmu, pārklātu pamatni, sakausējumu vai imitāciju.
- Kvalitatīvi novērtējiet blīvumuSilīcijs šķiet negaidīti viegls, salīdzinot ar līdzīga izmēra galenītu, hematītu, tēraudu vai silīcija karbīdu.
- Apskatiet lūzuma ģeometrijuMeklējiet gliemežnīcai līdzīgus izliekumus, asas šķautnes, gaismu atstarojošas plaknes un graudu robežu daudzveidību.
- Izpētiet virsmas slāņu sistēmuNosakiet, vai krāsu piešķir oksīds, nitrīds, metāls, fotorezists, piesārņotāji vai dekoratīvs pārklājums.
- Meklējiet graudainu struktūruPolikristāliskā materiālā var būt redzamas kristālu sienas, graudi, segregējušies piemaisījumi un neregulāras lūzuma trajektorijas.
- Pārbaudiet magnētiskās īpašībasTīrs silīcijs nav feromagnētisks; spēcīga reakcija liecina par ferosilīciju, pieķērušos metālu vai piesārņojumu.
- Izvairieties no plāksnīšu skrāpēšanas pārbaudēmCietības pārbaudes bojā pulētās virsmas un var radīt plaisas, kas sākas pie malas.
- Ja nepieciešams, izmantojiet analīzes metodesRamana spektroskopija, rentgenstaru difrakcija, īpatnējās elektriskās pretestības un infrasarkanā starojuma caurlaidības mērījumi, kā arī sastāva analīzes metodes var apstiprināt materiāla identitāti un tehnoloģisko stāvokli.
| Materiāls | Kāpēc to var sajaukt ar silīciju | Noderīgas atšķirīgās pazīmes |
|---|---|---|
| Kvarcs vai kvarca stikls | Līdzīga cietība, gliemežnīcveida lūzums un silīciju saturošs ķīmiskais sastāvs. | Kvarcs un kvarca stikls ir SiO₂, parasti caurspīdīgi vai puscaurspīdīgi un nemetāliski; elementārais silīcijs ir tumšs un necaurspīdīgs. |
| Silīcija karbīds | Tumšs kovalents materiāls, kura virsmām ir metālisks vai varavīksnes mirdzums. | SiC irt ievērojami cietāks un blīvāks; tam bieži raksturīgs izteiktāks mākslīgs varavīksnes mirdzums vai plākšņveida kristāli. |
| Galenīts | Svina pelēka metāliska āriene un trauslums. | Galenīts ir daudz smagāks, mīkstāks un tam ir perfekta kubiskā šķeltne. |
| Hematīts | Tērauda pelēkas virsmas ar metālisku vai pusmetālisku spīdumu. | Hematīts ir blīvāks un atstāj sarkanbrūnu svītru. |
| Grafīts | Tumši pelēka krāsa, pusmetālisks spīdums un elektrovadītspēja. | Grafīts ir ļoti mīksts, taukains uz tausti, atstāj tumšu svītru un sadalās lokanās zvīņās. |
| Ferrosilīcijs | Rūpnieciski tumši, metāliski spīdīgi silīciju saturoši lietņi. | Lielāks blīvums, iespējamās magnētiskās īpašības, metāla sakausējuma fāzes un ķīmiskais sastāvs ar augstu dzelzs saturu. |
| Metāla stikls vai izdedži | Tumša, gaismu atstarojoša lūzuma virsma un neregulāra rūpnieciska izstrādājuma forma. | Burbuļi, plūsmas tekstūra, mainīgs blīvums, jaukts sastāvs un kristāliskajam silīcijam raksturīgo pazīmju trūkums. |
| Dengta stikla plāksne | Plokščias apskritas padėklas su spalvingomis plonajām plēvēm. | Šviesos pralaidumas ties kraštu, mažesnis blīvums, lūžimo pobūdis ir optiniai tyrimai padeda atskirti stiklą nuo silicio. |
Išskyrimas, puslaidininkių mokslas ir silicio technologinės platformos iškilimas
Silicio istorija driekiasi nuo mineralų analizės iki cheminio išskyrimo, nuo trapios laboratorinės medžiagos iki itin gryno kristalo ir nuo pavienių lygintuvų iki integruotųjų sistemų. Lemiamas lūžis buvo ne vien elemento atradimas, bet ir gebėjimas valdyti jo grynumą, paviršių, kristalo defektus ir tarpfazines ribas.
Silicio dioksidas atpažįstamas kaip nežinomo elemento oksidas
Chemikai suprato, kad kvarce ir giminingose medžiagose yra komponentas, atsparus įprastiems redukcijos būdams, tačiau jį išskirti tebebuvo sunku, nes silicis sudaro stiprius ryšius su deguonimi.
Gaunamas negrynas silicis ir susiformuoja angliškas jo pavadinimas
Per ankstyvuosius redukcijos bandymus buvo gauta silicio turinti medžiaga, o angliškas pavadinimas „silicon“ pakeitė formas, tiesiogiau sudarytas pagal metalinių elementų pavadinimų pavyzdį.
Jönsas Jacobas Berzelius išskiria amorfinį silicį
Berzelius gavo ir aprašė gerokai grynesnę elementinę medžiagą, padėdamas pagrindą silicio cheminei tapatybei nustatyti.
Gaunamas kristalinis silicis
Henri Sainte-Claire Deville’is gavo kristalinį silicį, todėl tapo lengviau tirti jo blizgesį, trapumą ir struktūrą.
Silicis tampa elektroninių detektorių medžiaga
Taškinio kontakto įtaisai ir kristaliniai detektoriai parodė lyginimo reiškinį dar prieš tai, kai didelio grynumo kristalų auginimas sudarė sąlygas šiuolaikinei puslaidininkių inžinerijai.
Augstas tīrības silīcijs paver ceļu tranzistoriem un praktiski izmantojamiem saules elementiem
Attīrīšana, leģējošo piemaisījumu kontrole, pāreju veidošana un kristālu audzēšana nostiprināja silīcija pozīcijas kā arvien praktiskākai alternatīvai germānijam.
Virsmas pasivēšana, planārā tehnoloģija un MOS ierīces pārveido ražošanu
Kontrolēta silīcija un oksīda starpfāžu robeža ļāva aizsargāt virsmas, fotolitogrāfiski veidot ierīču kontūras un izveidot augsta blīvuma integrālās shēmas.
Silīcija pielietojums paplašinās, aptverot fotoelementus, MEMS, fotoniku, metroloģiju un kvantu pētniecību
To pašu ražošanas platformu tagad izmanto enerģijas pārveidošanai, mehāniskiem sensoriem, optiskajām shēmām, kristāliem ar kontrolētu izotopu sastāvu un nanometru izmēra ierīcēm.
Silīcijs kļuva par pamatmateriālu nevis tāpēc, ka dabiskā stāvoklī tas būtu īpaši vadītspējīgs. Tas ieguva šo lomu tāpēc, ka tā vadītspēju, virsmu, ģeometriju un starpfāžu robežas var kontrolēt ar ārkārtīgu precizitāti.
Novērtējums, izcelsme un relatīvā nozīme
Nav universālas kolekcionējama silīcija novērtēšanas sistēmas. Neapstrādātam kausēšanas krāsns lietnim, polisilīcija stienim, pētniecībai paredzētam monokristālam, ražošanas plāksnei, mikroshēmai ar izveidotu elektrisko shēmu, agrīnam saules elementam, vēsturiskai integrālajai shēmai un retam dabiskam graudam piemērojami atšķirīgi novērtēšanas kritēriji.
Materiāla identitāte
Noskaidrojiet, vai priekšmets ir elementārais silīcijs, sakausējums, silīcija karbīds, pārklāts stikls, tehnoloģiski apstrādāts pusvadītājs vai cits rūpniecisks materiāls.
Kristāliskā forma
Nosakiet, vai paraugs ir monokristālisks, polikristālisks, dendrītisks, amorfas plēves veidā, porains, sašķelts, griezts, pulēts vai nogulsnēts.
Virsmas stāvoklis
Pārbaudiet malu plaisas, šķelšanos pa šķelšanās plaknēm, skrāpējumus, duļķainumu, pirkstu nospiedumus, oksīda krāsu, slāņu atdalīšanos, koroziju un metalizācijas slāņa bojājumus.
Tehnoloģiskā izcelsme
Ražotājs, audzēšanas metode, ražošanas vieta, plāksnes kristalogrāfiskā orientācija, leģējošais piemaisījums, īpatnējā elektriskā pretestība, diametrs, datums un paredzētais lietojums var būt nozīmīgāki par nevainojamu izskatu.
Vēsturiskais konteksts
Pētniecības marķējums, ražošanas tehnoloģijas paaudze, iestāde, ierīces veids, korpuss un dokumentācija var palīdzēt noteikt tehnoloģisko nozīmi.
Dabiskā izcelsme
Apgalvojumiem, ka silīcija paraugs ir dabisks, nepieciešama atradnes vieta, paraugu saturošais materiāls, analītiski pierādījumi un saglabāta sākotnējā matrica.
| Priekšmeta veids | Galvenās īpašības | Ką pārbaudīt |
|---|---|---|
| Metalurginis silicio gabalas | Rakto lūžis, pramoninė kilmė, priemaišų pobūdis, dydis ir paviršiaus stabilumas. | Vai tas nav aizstāts ar ferosilīciju, vai tajā nav sārņu, pārklājuma un oksidācijas, vai nav asu malu un vai izcelsme ir dokumentēta. |
| Polikristāliska silīcija stienis vai granula | Nogulsnēšanās morfoloģija, tīrības dokumenti, ražošanas metode un neskarta struktūra. | Piesārņojums, apstrādes pēdas, pārrauts pavediens, pārklājums un maldinoši apgalvojumi par dabisku kristālu. |
| Monokristāliska plāksnīte | Diametrs, orientācija, ierobs, biezums, pulējums, leģējošais piemaisījums, īpatnējā pretestība un audzēšanas metode. | Malu atšķēlumi, mikroplaisas, deformācija, skrāpējumi, piesārņojums, pārklājums un nezināma apstrādes vēsture. |
| Rakstaina plāksnīte | Ierīces vai testa raksts, ražošanas konteksts, datums, mikroshēmu izkārtojums, dokumentācija un virsmas saglabātības stāvoklis. | Korodējis metāls, atslāņojušās plēves, fotorezista atliekas, nolauzta mala un nepilnīgi dati par izcelsmi. |
| Vēsturiska mikroshēma vai shēma | Atpazīstama funkcija, ražotājs, datums, korpuss, institūcija un tehnoloģiskais konteksts. | Nomainīts korpuss, noņemtas etiķetes, viltots marķējums, pārrauti savienojumi un trūkstoša dokumentācija. |
| Vietējā silīcija paraugs | Dabiskā matrica, precīza atraduma vieta, analītisks apstiprinājums, mērogs un publikāciju vēsture. | Rūpnieciskais piesārņojums, kausētavas materiāls, trieciena atlūzas, mākslīga ievietošana un nepamatota izcelsmes piedēvēšana. |
Kopšana, glabāšana, eksponēšana un drošība darbnīcā
Masīvs elementārais silīcijs parastos iekštelpu apstākļos ir ķīmiski stabils, taču tā malas ir trauslas, un apstrādātajās virsmās var būt jutīgi oksīdi, nitrīdi, metāli, polimēri vai ierīču struktūras. Kopšana jāizvēlas, ņemot vērā visu objektu, nevis tikai silīcija pamatni.
Masīvi gabali
Neregulāras formas gabalus glabājiet polsterētos turētājos, sargājiet no nokrišanas un turiet asās lūzuma malas tālāk no blakus esošajiem paraugiem un rokām.
Nepārklātas plāksnītes
Satveriet aiz malas ar tīriem cimdiem vai piemērotiem plāksnīšu apstrādes rīkiem. Izvairieties no locīšanas, malu spiešanas, kraušanas bez starplikām un saskares ar abrazīvām daļiņām.
Pārklātas plāksnītes
Nedomājiet, ka krāsaina virsma ir izturīga pret ūdeni, spirtu, šķīdinātājiem, mazgāšanas līdzekļiem vai slaucīšanu. Redzamā plēve var būt mīkstāka un mazāk stabila nekā silīcijs.
Apstrādātas ierīces
Metāla celiņi, kontaktlaukumi, polimēri un korpusētās shēmas var korodēt vai atslāņoties. Aktīvajām elektroniskajām ierīcēm var būt nepieciešama arī aizsardzība pret elektrostatisko izlādi.
Putekļu kontrole
Neslīpējiet silīciju sausā veidā, neberziet ar smilšpapīru, neurbiet un nesmalciniet, neveicot piesardzības pasākumus. Izmantojiet piemērotas slapjās metodes vai lokālu nosūci un atbilstošus acu un elpceļu aizsardzības līdzekļus.
Rūpnieciskie atkritumi ar nezināmu izcelsmi
Apstrādātais materiāls var būt pārklāts ar metāla plēvēm, saturēt leģējošus piemaisījumus, atlikumus, lodmetālu, fotorezistu vai piesārņojumu, kas nav redzams, skatoties uz priekšējo virsmu.
| Bīstamība | Iespējamā ietekme | Profilakses metode |
|---|---|---|
| Trieciens pa malu | Malu izdrupšana, radiālas plaisas, šķelšanās izplatīšanās un asas lauskas. | Izmantojiet polsterētus balstus un turētājus, kas neskar malas, un glabājiet atsevišķi. |
| Plāksnītes saliekšana | Pēkšņs pilnīgs lūzums neliela saliekuma vai jau esoša malas defekta dēļ. | Celiet, vienmērīgi balstot, un nekad ar spēku nebāziet plāksnīti šaurā turētājā. |
| Abrazīvie putekļi | Neatgriezeniski skrāpējumi, duļķainums, pulētas virsmas spīduma zudums un plāno plēvju bojājumi. | Pirms slaucīšanas notīriet irdenās daļiņas ar tīru gaisa pūtēju vai kontrolētā bezkontakta veidā. |
| Sadzīves šķīdinātājs vai tīrīšanas līdzeklis | Rezista uzbriešana, pārklājuma zudums, metāla korozija, atlikumi un interferenču krāsas izmaiņas. | Neizmantojiet patvaļīgi izvēlētas ķīmiskās tīrīšanas metodes apstrādātām virsmām. |
| Temperatūras gradients | Sprieguma izraisīta plaisāšana, plēvju atslāņošanās un metalizācijas bojājumi. | Izvairieties no liesmām, tvaikiem, sildvirsmām, intensīvām lampām un pēkšņām temperatūras izmaiņām. |
| Elektrostatiskā izlāde | Aktīvu vai vēsturiski nozīmīgu shēmu bojājumi. | Ja ierīce joprojām ir elektriski aktīva vai neaizsargāta, strādājot ar to, izmantojiet antistatiskus līdzekļus. |
| Sausā griešana vai slīpēšana | Asas daļiņas gaisā un iespējami degoši smalki pulveri. | Izmantojiet profesionālam darbam piemērotus putekļu kontroles pasākumus un izvairieties apstrādāt atkritumus ar nezināmiem pārklājumiem. |
| Nestabils stiprinājums | Plāksnītes slīdēšana, malu saspiešana, lūzumi un nodilums, beržoties pret cietiem skavotājiem. | Izmantojiet platus balstus no inertiem materiāliem, kas nerada punktveida slodzi. |
Dokumentēšana un atbildīgs apraksts
Detalizētā silīcija parauga aprakstā atsevišķi norāda elementu sastāvu, tīrības klasi, kristālisko struktūru, rūpniecisko formu, apstrādes vēsturi, pārklājumu, ierīces stāvokli, dabisko izcelsmi un stāvokli. Nosaukums „silīcija kristāls” vien var slēpt lielāko daļu informācijas, kas piešķir paraugam nozīmi.
Materiāla identitāte
Norādiet, vai tas ir elementārais silīcijs, ferosilīcijs, silīcija karbīds, ar pārklājumu klāts silīcijs, stikla pamatne, polisilīcijs vai cits apstiprināts materiāls.
Kristališkumas
Dokumentējiet monokristālisku, daudzkristālisku, polikristālisku, amorfu, porainu, dendrītisku vai nezināmu struktūru.
Audzēšanas un attīrīšanas metode
Ja zināms, norādiet metalurģisko kausēšanu, Siemens metodi, granulu ražošanu verdošā slānī, audzēšanu ar Čohraļska vai peldošās zonas metodi, liešanu vai plēves uzklāšanu.
Elektriskie raksturlielumi
Saglabājiet datus par kristalogrāfisko orientāciju, leģējošo piemaisījumu, vadītspējas tipu, īpatnējo pretestību, diametru, biezumu, plaknumu, skābekļa satura klasi un paredzēto lietojumu ierīcēs.
Virsmas slāņu struktūra
Aprakstiet, vai virsma ir nepārklāta, oksidēta, nitridēta, metalizēta, pārklāta ar fotorezistu, pasivēta, rakstaina, kodināta vai paraugs ir korpusā.
Izcelsme un stāvoklis
Saglabājiet datus par ražotāju, iestādi, projektu, datumu, iepakojumu, iepriekšējo izmantošanu, malu atšķēlumiem, skrāpējumiem, piesārņojumu, remontiem un fotogrāfijām.
Mūsdienu simbolika un pārdomu jēga
Mūsdienu simboliskās silīcija interpretācijas var tieši balstīties tā īstajās materiālajās īpašībās: četrkāršajā saišu struktūrā, kontrolētos piemaisījumos, selektīvajā vadītspējā, slāņu saskarnēs, precīzā rakstu veidošanā un bagātīgu minerālu izejvielu pārvēršanā precīzā kristāliskā platformā. Šīs tēmas ir mūsdienīgas pārdomas, nevis apgalvojumi par senām silīcija tradīcijām.
Vispirms struktūra, pēc tam sarežģītība
Milzīga elektroniska sistēma sākas ar atkārtotām lokālām saitēm: katrs atoms paredzamā veidā saistās ar četriem kaimiņiem.
Nelielas piedevas, liela ietekme
Ļoti zema leģējošo piemaisījumu koncentrācija var mainīt vadītspēju par vairākām lieluma kārtām, atgādinot, ka rūpīgi izvēlēti ieguldījumi ir svarīgāki par neapdomīgu pārpilnību.
Saskarnes rada funkciju
Robeža starp silīciju un izolējošo slāni ne tikai tos atdala: tieši šeit kļūst iespējami vadāmi kanāli un ierīces.
Attīrīšana kā atlase
Elektronikai nepieciešamo tīrību panāk, atkārtoti atdalot un mērot, nevis ar vienu iespaidīgu piesārņojuma likvidēšanas reizi.
Ar rakstu noteikti ierobežojumi
Noderīga ķēde nevada strāvu visur. Tā virza kustību pa mērķtiecīgi veidotām zonām, barjerām un savienojumiem.
Virsma un iekšiene
Plāksnītes krāsu var noteikt vien dažus nanometrus bieza plēve, atgādinot, ka ārējais izskats un zem tā esošā struktūra ir saistīti, bet nav viens un tas pats.
Plāksnītes un Mēness pārskats
- Izvēlieties sistēmu, kas šķiet sarežģīta, jo katra tās daļa tiek uzskatīta par vienādi vadītspējīgu.
- Nosakiet pamatstruktūru, kam jāpaliek stabilai.
- Nosauciet vienu palielināmu ieguldījumu, vienu novēršamu piemaisījumu un vienu stiprināmu robežu.
- Apibrėžkite, kur kustībai jābūt vieglai, bet kur noder pretestība.
- Pasirinkite vieną išmatuojamą veiksmą, kas pakeistų sistemą, nepārkārtojot to visu.
- Po vieno viso ciklo įvertinkite rezultatą ir vienu metu keiskite tik vieną kintamąjį.
Toliau skaitykite specializuotus silicio vadovus
Silicį galima pažinti per elementinio silicio kristalografiją, puslaidininkių optiką, geologiją, pramoninį gryninimą, polikristalinę sandarą, technologijų istoriją, šiuolaikinę simboliką ir apmąstymų praktiką.
Biežāk uzdotie jautājumi
Vai silīcijs ir metāls?
Silīciju parasti pieskaita pusmetāliem. Tā virsma izskatās metāliska, taču tas ir kovalenti saistīts pusvadītājs, kura vadītspēja ir ievērojami vairāk atkarīga no temperatūras un leģējošajiem piemaisījumiem nekā parastam metālam.
Vai silīcijs un silīcija dioksīds ir viens un tas pats?
Nē. Silīcijs ir ķīmiskais elements Si. Silīcija dioksīda formula ir SiO₂; pie tā pieder kvarcs, kristobalīts, tridimīts, opāls, silīcija dioksīda stikls un augstspiediena formas.
Vai silīcijs un silikons ir viens un tas pats?
Nē. Silikoni ir sintētisko polimēru grupa, kuru galveno ķēdi veido pamīšus izvietoti silīcija un skābekļa atomi, bet tai pievienotas organiskas sānu grupas. Silikona gumija, eļļa, sveķi un hermētiķis nav elementārais silīcijs.
Kāpēc dabisks silīcijs ir tik rets?
Silīcijs veido stipras saites ar skābekli un viegli iekļaujas silīcija dioksīda un silikātu struktūrās. Dabiskā elementārā silīcija veidošanai nepieciešami neparasti reducējoši apstākļi, un tā veidojumi parasti ir mikroskopiski.
Kāpēc silīcija plāksne izskatās zila vai violeta?
Krāsa parasti rodas plānā oksīda, nitrīda, fotorezista vai daudzslāņu pārklājuma interferenču dēļ. Pats nepārklāts pulēts silīcijs ir no tumši pelēka līdz gandrīz melnam.
Kāpēc silīciju izmanto datoru mikroshēmās?
Silīcijam ir piemērots aizliegtās zonas platums, kvalitatīvs dabiski un termiski veidojies oksīds, lieliska virsmas pasivācija, pietiekama siltumvadītspēja un mehāniskā izturība. Turklāt tā izejvielas ir plaši pieejamas, attīrīšanas tehnoloģijas ir nobriedušas, bet ražošanas metodes — ļoti attīstītas.
Ar ko atšķiras p tipa un n tipa silīcijs?
p tipa silīcijā ir akceptoru piemaisījumi, kuru dēļ par galvenajiem lādiņnesējiem kļūst caurumi. n tipa silīcijā ir donoru piemaisījumi, kuru dēļ par galvenajiem lādiņnesējiem kļūst elektroni.
Kas ir caurums?
Skylė ir efektīvs pozitīvs lādiņnesējs, kas saistīts ar elektrona trūkumu valences zonas stāvoklī. Tā uzvedas tā, it kā pa kristālu pārvietotos pozitīvs lādiņš.
Kas ir polisilicis?
Polisilicis yra didelio grynumo polikristalinis elementinis silicis. Jis paprastai nusodinamas strypų, gabalų ar granulių pavidalu, o vėliau išlydomas plokštelėms arba saules elementiem ražot.
Kuo skiriasi polikristalinis ir monokristalinis silicis?
Monokristaliniame silicyje visame naudojamame tūryje išlaikoma viena kristalinė orientacija. Polikristalinį silicį sudaro daug grūdelių, atskirtų ribomis, kurios veikia lūžimą, priemaišų pasiskirstymą ir krūvininkų pernašą.
Kas yra amorfinis silicis?
Amorfam silīcijam nav raksturīga tāldarbības kristāliskā kārtība, un to parasti uzklāj plānas plēves veidā. Bieži pievieno ūdeņradi, lai pasivētu nepiesātinātās saites un uzlabotu elektroniskās īpašības.
Kas ir ar Czochralski metodi izaudzēts silīcijs?
Tas ir monokristālisks silīcijs, ko izaudzē, lēni velkot un griežot kristāla sēklu no kausēta silīcija, kas atrodas silīcija dioksīda tīģelī. Ar šo metodi izgatavo lielāko daļu parasto lielo pusvadītāju plāksnīšu.
Kas ir ar beztīģeļa zonas kausēšanas metodi iegūts silīcijs?
Silīciju attīra un kristalizē ar beztīģeļa zonas kausēšanas metodi, pārvietojot šauru izkausētu zonu gar silīcija stieni, neizmantojot tīģeli. Šādi var panākt ļoti zemu skābekļa saturu un augstu īpatnējo pretestību.
Kāpēc silīcijs nelaiž cauri redzamo gaismu, bet ir piemērots infrasarkanajai optikai?
Redzamās gaismas fotoniem parasti ir pietiekami daudz enerģijas, lai silīcijā tie tiktu absorbēti elektronu pāreju rezultātā. Zemākas enerģijas infrasarkanie fotoni var izkļūt cauri pietiekami tīram materiālam noteiktā viļņu garumu diapazonā, kas atkarīgs no pielietojuma jomas.
Vai silīcijs dabiski vada elektrību?
Istabas temperatūrā tīrs silīcijs vada elektrību vāji, salīdzinot ar metālu. Siltums, gaisma, defekti un mērķtiecīga leģēšana var ievērojami palielināt tā vadītspēju.
Kāpēc, karsējot silīciju, palielinās tā vadītspēja?
Siltums ierosina vairāk elektronu, lai tie pārvarētu aizliegto zonu, tādējādi radot papildu elektronu un caurumu pārus. Lādētāju skaita pieaugums var pārsniegt mobilitātes samazināšanos, ko izraisa režģa svārstības.
Vai elementārais silīcijs var saskrāpēt stiklu?
Silīcija asā mala var saskrāpēt daudzus parastos stiklus, jo tā cietība pēc Mosa skalas ir aptuveni 6,5–7. Izgatavotas plāksnītes vai dokumentēta parauga cietuma pārbaude nav nepieciešama, un šāds tests tos neatgriezeniski sabojā.
Kāpēc silīcijs tik viegli lūst, lai gan ir ciets?
Cietība raksturo izturību pret skrāpējumiem, nevis lūšanu. Silīcija režģis ar virzienorientētām kovalentajām saitēm ir stingrs, bet trausls, un plānas plāksnītes ir jutīgas pret malu defektiem un lieci.
Vai silīciju var tīrīt ar ūdeni?
Nepārklāts masīvs silīcijs īslaicīgu saskari ar ūdeni iztur, taču apstrādātām plāksnītēm var būt plēves, metāli, polimēri vai atlikumi, kas to neiztur. Neidentificētam apstrādātam paraugam drošāka sākotnējā izvēle ir sausa tīrīšana bez saskares.
Vai es varu pulēt salūzušu silīcija plāksnīti?
Pulējot tiek noņemta esošā virsma, un var tikt iznīcināta oksīda radītā krāsa, ierīču slāņi, izcelsmi apliecinošās pazīmes un malu ģeometrija. Turklāt rodas smalki putekļi, tāpēc pret to nevajadzētu izturēties vieglprātīgi.
Vai silīcija karbīds ir silīcija paveids?
Silīcija karbīds satur silīciju, taču tas ir atsevišķs savienojums ar formulu SiC. Tas ir cietāks, blīvāks, karstumizturīgāks, un tā elektroniskās īpašības atšķiras no elementārā silīcija īpašībām.
Ko nozīmē iecirtums plāksnē?
Iecirtumu izveido ražošanas laikā, lai būtu vieglāk noteikt plāksnes orientāciju un ar to rīkoties. Tas palīdz automatizētajām iekārtām orientēt plāksni un norāda atskaites kristalogrāfisko virzienu.
Vai pēc oksīda krāsas var noteikt precīzu plēves biezumu?
Kontrolētā apgaismojumā krāsa var aptuveni norādīt biezumu, taču precīzai noteikšanai vajadzīgs kalibrēts optiskais mērījums, jo krāsa ir atkarīga arī no leņķa, pamatnes, refrakcijas koeficienta un papildu slāņiem.
Kas jānorāda parauga etiķetē?
Norādiet ķīmisko elementu, tīrības vai kvalitātes klasi, monokristālisku vai polikristālisku formu, audzēšanas metodi, plāksnes orientāciju, leģējošo piemaisījumu un īpatnējo elektrisko pretestību, ja tie ir zināmi, pārklājumu, ražotāju, datumu, iepriekšējo lietojumu un stāvokli.
Noslēguma pārdomas
Silīcija struktūras pamatā ir vienkāršs lokāls noteikums: katrs atoms veido četras virzītas saites. Šim noteikumam atkārtojoties visā kristālā, izveidojas režģis, kas ir pietiekami stingrs, lai kalpotu par precīzu ierīču pamatu, bet arī pietiekami trausls, lai ieplaisātu no bojātas malas. Šīs pašas saites rada netiešo aizliegtās joslas spraugu, vidēju siltumvadītspēju, augstu refrakcijas koeficientu infrasarkanajā spektra diapazonā un virsmu, uz kuras var izveidot ļoti precīzi kontrolētu oksīda slāni.
Ģeoloģiskajā vidē silīcijs reti sastopams brīvā veidā. Tas savienojas ar skābekli, veidojot tetraedrus, kas savukārt savienojas atsevišķās grupās, gredzenos, ķēdēs, slāņos un karkasos. Tādējādi silīcijs kļūst par mantijas minerālu, vulkāniskā stikla, granīta, māla, augsnes, smilšu, kramaļģu čaulu, betona, porcelāna un logu stikla sastāvdaļu.
Rūpnieciskā apstrāde šo dabisko tieksmi oksidēties pavērš pretējā virzienā. Kvarcu reducē, silīciju attīra, izmantojot gaistošus savienojumus, izgulsnē polikristāliska silīcija veidā, izaudzē kristālu ar kontrolētām īpašībām, sagriež plāksnēs un, atkārtoti pievienojot un noņemot materiālu, izveido tajās rakstus. Ļoti mazi leģējošo piemaisījumu daudzumi maina elektriskās īpašības; nanometru biezas plēves maina krāsu un saskares virsmas; mikroskopiski defekti nosaka, vai ierīce darbosies vai sabojāsies.
Tāpēc vispusīgai silīcija izpratnei nepieciešamas zināšanas mineraloģijā, kristalogrāfijā, termodinamikā, cietvielu fizikā, optikā, metalurģijā, ķīmijā, ražošanā, elektronikā, enerģētikā, saglabāšanā un tehnoloģiju vēsturē. Tā izcilība nav saistīta ne ar dabisko elektrovadītspēju, ne iespaidīgo izskatu. Tā izceļas ar to, ka plaši izplatītu iežus veidojošu elementu var attīrīt un veidot tā struktūru un rakstus, līdz pats materiāls kļūst programmējams.