Polykrystallinsk silisium
Linas JuozėnasDele
Polykrystallinsk silisium
Polykrystallinsk silisium er et krystallinsk silisiummateriale som består av mange separate silisiumkrystaller, kalt korn. I hvert korn er atomene ordnet i et regulært kubisk diamantgitter, men gitteret i nabokornene er rotert i ulike vinkler. Der de møtes, dannes korngrenser. Det er nettopp denne polykrystallinske strukturen som skiller polykrystallinsk silisium fra monokrystallinsk silisium, og som gir det den karakteristiske mosaikkaktige overflaten. Materialet ble et av de viktigste mellomleddene mellom kvartsråstoff, solceller, mikroelektronikk og svært rene silisiumkrystaller.
Kjemisk sett er det det samme silisiumet, men i stedet for én sammenhengende krystallorientering består det av tusenvis eller millioner av mindre krystallinske områder
Rent krystallinsk silisium består av silisiumatomer bundet sammen i et svært ordnet tredimensjonalt nettverk. I ett krystallkorn beholder denne ordenen samme orientering.
Et polykrystallinsk materiale består av mange slike korn. Ett kan være rotert noen grader, mens et annet kan være orientert i en helt annen retning. Inne i kornet er gitteret fortsatt ordnet, men nær kanten kan ikke atomradene lenger fortsette helt regelmessig.
Området der de møtes, kalles en korngrense. Det lokale miljøet til noen atomer er litt annerledes der, så krystallstrukturelle defekter, urenheter og elektroniske tilstander kan samle seg i disse områdene.
Ved første øyekast kan denne forskjellen virke liten, men i elektronikk er den svært viktig: I et nesten perfekt krystallgitter beveger elektroner og hull seg annerledes enn i et materiale med mange korngrenser.
Essensen av polykrystallinsk silisium: Hvert enkelt korn er en krystall, men hele materialet er ikke én krystall. Det er et fellesskap av mange krystaller.
Krystallinsk korn
Et lite silisiumområde der atomene beholder én felles krystallografisk orientering.
Korngrense
Et område der to ulikt roterte krystallgitter møtes.
Polykrystallinsk helhet
Mange korn vokser mekanisk sammen og danner ett sammenhengende stykke silisium.
Grå, glinsende og sprø halvleder der de elektriske egenskapene påvirkes sterkt av renhet, urenheter og størrelsen på de krystallinske kornene
| Kjemisk symbol | Si |
|---|---|
| Materialtype | Polykrystallinsk grunnstoffhalvleder |
| Atomnummer | 14 |
| Krystallstruktur inne i kornet | Diamantlignende kubisk struktur |
| Hardhet | Omtrent 6,5–7 på Mohs' skala |
| Tetthet | Omtrent 2,33 g/cm³ |
| Smeltepunkt | Omtrent 1414 °C |
| Farge | Mørkegrå, sølvgrå, blågrå eller nesten svart |
| Glans | Fra metallisk til halvmetallisk |
| Mekaniske egenskaper | Hardt, men sprøtt |
| Elektronisk type | Halvleder |
| Forbudt båndbredde | Omtrent 1,12 eV ved romtemperatur |
| Elektrisk ledningsevne | Avhenger i stor grad av temperatur, renhet og kontrollert doping |
| Viktigste strukturelle forskjell | Mange krystaller med ulik orientering, adskilt av korngrenser |
Hvert silisiumatom binder seg til fire naboatomer og danner et tetraedrisk nettverk som ligner diamantstrukturen
Gjentatt orden i tre dimensjoner
I krystallinsk silisium har hvert atom fire nærmeste naboer av silisium. De kovalente bindingene danner et tredimensjonalt tetraedrisk nettverk som bestemmer både krystallens geometri og dens halvlederegenskaper.
Fire bindinger
Hvert silisiumatom har fire valenselektroner og danner fire sterke kovalente bindinger i krystallen.
Tetraedrisk geometri
Naboatomene ligger i tetraederretninger, og derfor er gitteret ikke et enkelt kubisk nett.
Diamantstruktur
Silisiumets gittertype er i hovedsak den samme som diamantens, selv om silisiumatomene er større og bindingene svakere enn i en karbonkrystall.
Elektroniske tilstander
Den periodiske plasseringen av atomene danner valens- og ledningsbånd.
Halvlederens forbudte bånd
Mellom valensbåndet og ledningsbåndet ligger det et forbudt energibånd, og derfor er ikke silisium verken et godt ledende metall eller en vanlig isolator.
Temperaturens effekt
Varme kan gi elektronene nok energi til å gå over i ledningsbåndet og øke den elektriske ledningsevnen.
I polykrystallinsk silisium gjentas det samme diamantlignende kubiske gitteret i hvert korn. Det er ikke den lokale atomrekkefølgen som varierer, men orienteringen til hele kornet i rommet.
Den mosaikklignende overflaten av polykrystallinsk silisium består av separate krystallinske områder som reflekterer lys ulikt på grunn av forskjellig orientering
Én overflate, mange krystallografiske vinkler
Overflateatomene i hvert korn er orientert litt forskjellig i forhold til retningene for innfallende lys, kjemisk etsing og mekanisk bearbeiding. Derfor kan nærliggende områder se lysere, mørkere eller mer blåaktige ut.
Inne i kornet
Her er atomene ordnet ganske regelmessig, og strukturen ligner svært på en monokrystall.
Grense
Der to områder med ulik orientering møtes, kan ikke alle atomære bindinger fortsette i en helt periodisk sekvens.
Krystalldefekter
Ved grensene kan det finnes forvrengte bindinger, dislokasjoner og andre gitterdefekter.
Opphopning av urenheter
For noen fremmede atomer er det energetisk gunstigere å samle seg ved korngrensene enn inne i et perfekt gitter.
Rekombinasjon av ladningsbærere
Ved grensene kan elektroner og hull lettere rekombinere, noe som forkorter den nyttige levetiden deres.
Kornstørrelse
Jo større kornene er, desto færre grenser finnes i samme materialvolum.
Korngrensene er ikke bare synlige linjer. De er faktiske grenser mellom krystallinske områder, som kan påvirke ladningstransport, mekanisk respons og fordelingen av urenheter.
For å få et materiale av elektronikkvalitet fra silisiumdioksid må man ikke bare smelte silisiumet, men også fjerne nesten alle uønskede urenheter
Råstoff med silisiumdioksid
Den industrielle produksjonsprosessen starter vanligvis med kvarts eller et annet materiale med svært høyt innhold av silisiumdioksid.
Reduksjon med karbon
Ved høy temperatur fjernes oksygen, og man får elementært silisium av metallurgisk renhet.
Silisium omdannes til flyktige forbindelser
For at silisium skal kunne renses med svært høy presisjon, omdannes det kjemisk til forbindelser som kan destilleres.
Forbindelser renses
Ved destillering skilles stoffer med andre kokepunkter og kjemiske egenskaper enn den ønskede silisiumforbindelsen fra.
Rent silisium avsettes
Ved høy temperatur spaltes en gassformig silisiumforbindelse, og elementært silisium avsettes på et oppvarmet underlag.
Polysilisium produseres
Det dannes et svært rent polykrystallinsk silisiummateriale som senere kan smeltes og brukes til å dyrke andre krystallformer.
I industrien brukes begrepet polysilisium ofte om svært rent polykrystallinsk silisium - et råmateriale som senere kan brukes til å dyrke monokrystaller eller støpe multikrystallinske barrer.
Når det smeltede silisiumet avkjøles, dannes krystallkim samtidig mange steder, og de vokser til de møtes
Silisium smeltes
Når smeltepunktet overskrides, forsvinner den langtrekkende krystallinske ordenen, og atomene beveger seg i den flytende smelten.
Temperaturen begynner å synke
Når smelten avkjøles, oppstår forhold som gjør at atomene igjen kan danne et diamantlignende kubisk krystallgitter.
Det dannes mange kim
Separate silisiumkrystaller begynner å vokse på ulike steder i smelten.
Krystallene vokser
Hver kim vokser i sin egen krystallografiske orientering og binder til seg stadig flere silisiumatomer.
Korn møtes
Frontene til de voksende krystallene møtes og kan ikke fortsette gitterstrukturen sin uten et strukturelt kompromiss.
Korngrenser dannes
Hele materialet størkner til én sammenhengende blokk, men inni den finnes det fortsatt mange ulike krystallografiske orienteringer.
Hvis hele smelten ble krystallisert fra én riktig orientert krystallkim, uten at det dannet seg flere kim, kunne man få en monokrystall. En polykrystall dannes når mange krystallisasjonssentre vokser samtidig.
Polykrystallinsk silisium bidro til å gjøre fotovoltaisk teknologi til et system for energiproduksjon i stor skala
Fra lys til elektrisk krets
Et foton fra sollys kan overføre energi til et silisiumelektron og eksitere det til ledningsbåndet. Et elektrisk feltområde som er utformet på riktig måte, skiller elektronet fra det gjenværende hullet og leder ladningen inn i den ytre kretsen.
Fotonabsorpsjon
Lys med tilstrekkelig energi kan danne et mobilt elektron og en positiv ladningsbærer – et hull.
p-type- og n-type-silisium
Ved å tilføre kontrollerte mengder av ulike dopstoffer kan man lage områder med forskjellige konsentrasjoner av ladningsbærere.
p–n-overgang
Det elektriske feltet som dannes ved grenseflaten mellom to områder, bidrar til å skille lysgenererte ladningsbærere fra hverandre.
Tap ved korngrensene
Noen elektroner og hull kan rekombinere ved korngrensene før de når elektrodene.
Store korn
Større krystallkorn reduserer antallet korngrenser og bidrar vanligvis til å bevare bedre elektroniske egenskaper.
Blå overflate
Den blå fargen som er typisk for mange klassiske polykrystallinske solceller, forsterkes av overflatebelegg som reduserer refleksjon.
En polykrystallinsk solcelle er ikke «mindre krystallinsk» enn en monokrystallinsk solcelle. Den inneholder mange ekte krystaller – de har bare ulik orientering, og det er flere grenser mellom dem.
Tynne lag av polykrystallinsk silisium gjør det mulig å lage transistorer der man ikke trenger en massiv monokrystall
Tynnfilmtransistorer
Polykrystallinsk silisium kan brukes i tynnfilmtransistorer i skjermer og andre elektroniske strukturer.
Gater i integrerte kretser
Tidligere ble sterkt dopet polysilisium mye brukt som materiale til gateelektroder i MOS-transistorer.
Motstander
Ved å kontrollere kombinasjonen av kornstruktur, doping og laggeometri kan man lage elektriske motstander.
Mikromekaniske systemer
Lag av polykrystallinsk silisium kan bli til mikroskopiske bjelker, membraner og bevegelige strukturer.
Sensorer
Takket være de mekaniske og elektriske egenskapene sine kan polykrystallinsk silisium brukes i mikrosensorer for trykk, bevegelse og andre parametere.
Kontrollert doping
Mengden bor, fosfor eller andre egnede dopstoffer kan endre konsentrasjonen av frie ladningsbærere med mange størrelsesordener.
I elektronikk betyr ordet polysilisium ofte ikke et stort, skinnende stykke silisium, men et svært tynt lag av polykrystallinsk silisium som er integrert i en kompleks mikrobrikkestruktur.
I begge materialene binder atomene seg på samme måte, men i det ene fortsetter krystallgitteret nesten uten å endre retning, mens det i det andre er delt opp i mange krystallinske områder
Monokrystall
Nesten hele barren har samme krystallografiske orientering.
Polykrystall
Barren består av mange områder med ulik krystallografisk orientering.
Korngrenser
I en monokrystall finnes det nesten ingen slike grenser, mens de i en polykrystall danner et omfattende indre nettverk.
Elektrontransport
Den mer fullkomne ordenen i en monokrystall gjør vanligvis at ladningsbærere kan bevege seg med færre strukturelle hindringer.
Vekstmåte
For å lage en monokrystall må veksten til én enkelt krystall kontrolleres, mens et polykrystallinsk materiale kan størkne fra mange krystalliseringskjerner.
Utseende
På overflaten av polykrystallinske materialer kan man ofte se et mosaikkmønster dannet av individuelle korn.
Monokrystallinsk og polykrystallinsk silisium er ikke to forskjellige kjemiske stoffer. Begge kan bestå av nesten rent elementært silisium – forskjellen ligger i omfanget av den krystallinske ordenen.
Grunnstoffet hvis forbindelser utgjør en stor del av bergartenes verden, ble også et av de viktigste fundamentene for den digitale sivilisasjonen
I naturen finnes silisium nesten aldri som store krystaller av det rene grunnstoffet, fordi det svært lett binder seg til oksygen. I kvarts, feltspat og utallige silikatmineraler forekommer det i oksidert form.
Silisiums industrihistorie begynte da man lærte å skille silisium fra oksygen og andre grunnstoffer, og senere ble stadig mer avanserte metoder for rensing utviklet.
Elektronikkrevolusjonen krevde ikke bare silisium, men ekstremt rent silisium med kontrollert krystallstruktur. Selv svært små mengder uønskede grunnstoffer kan endre de elektriske egenskapene til en halvleder betydelig.
Produksjonen av polykrystallinsk silisium ble et bindeledd mellom råvarekjemi og krystallteknikk. Smeltet, renset polykrystallinsk silisium kan formes til barrer for solceller eller brukes til å dyrke store monokrystaller for mikroelektronikk.
Slik ble et av de vanligste grunnstoffene i jordskorpen et materiale der forekomsten betyr mindre enn den usedvanlig nøyaktige kontrollen over struktur og renhet.
Silisium fikk teknologisk verdi da mennesker lærte ikke bare å utvinne det, men også å kontrollere nesten alle aspekter ved krystallen, fra urenheter til atomorientering.
Byen med mange krystaller
Flere små krystaller ble dannet i den smeltede silisiumen nesten samtidig.
Hver begynte å vokse i sin egen retning.
«Hvis vi ikke alle er orientert på samme måte, blir vi aldri én kropp», sa den første krystallen.
Men temperaturen fortsatte å synke, og krystallene ble stadig større.
Til slutt møttes kantene deres.
Gitterstrukturene deres passet ikke perfekt sammen. Det oppsto en grense mellom dem.
«Ser du?», sa den første. «Vi er fortsatt forskjellige.»
«Ja,», svarte den andre. «Men grensen vår er ikke et mellomrom nå. Den har blitt stedet der vi har smeltet sammen.»
Da hele smelten hadde stivnet, fantes det ikke én perfekt krystall. Det fantes millioner – og sammen ble de ett fungerende materiale.
Dette er ikke en gammel legende. Det er en kreativ fortelling inspirert av den faktiske kornveksten i polykrystallinsk silisium.
Enhet i mange retninger, evnen til å bevare en særegen struktur og samtidig skape et større system som fungerer takket være alle delene
I moderne symbolsk språk kan polykrystallinsk silisium knyttes til samarbeid, utvikling av komplekse systemer, integrering av ulike ferdigheter og forståelsen av at enhet ikke nødvendigvis betyr ensartethet. Dette er en kreativ tolkning, ikke en vitenskapelig dokumentert virkning på mennesker.
Enkeltkorn
Hver del av et menneskes liv kan ha sin egen retning og likevel være en del av en større helhet.
Korngrense
Forskjellen mellom to mennesker eller ideer kan være mer enn en kilde til konflikt – den kan også være selve stedet der de møtes.
Krystallisering
Orden kan oppstå mange steder samtidig og senere samles til ett system.
Halvleder
Evnen til å kontrollere når energi strømmer og når strømmen stopper, kan symbolisere bevisst satte grenser og målrettet handling.
Solcelle
Energi som kommer utenfra, kan ikke bare absorberes, men også omdannes til nyttig arbeid.
En mosaikkhelhet
Et komplekst system trenger ikke å skjule de ulike delene sine – noen ganger er det nettopp de som skaper den mest interessante strukturen.
Ritual for felles struktur
Denne tørre symbolske øvelsen er ment for en situasjon der du har flere ulike oppgaver, ferdigheter eller personer og ønsker å forstå hvordan du kan samle dem i ett fungerende system uten å tvinge alle delene til å bli like.
Dette trenger du
- én prøve av polykrystallinsk silisium;
- ark;
- penn;
- av et system eller prosjekt som du ønsker å organisere mer effektivt.
Korn
Tegn flere separate områder på et ark, og skriv inn én del av et prosjekt, en person, en ferdighet eller et ansvarsområde i hvert.
Retninger
Skriv ved siden av hver del hva den gjør best, og hvilken retning den ikke bør tvinges til å endre.
Grenser
Skriv mellom tilstøtende områder hvilken informasjon, hvilke ressurser eller beslutninger som må overføres fra det ene til det andre.
Defektsteder
Marker én grenseflate der det for tiden går mest tid, energi eller tydelighet tapt.
Sterkere forbindelse
Velg én liten endring som kan forbedre samspillet ved akkurat denne grensen: en tydeligere regel, bedre informasjonsflyt eller en enklere prosess.
Ord som gjentas
Plasser polykrystallinsk silisium i midten av diagrammet og si tre ganger:
Jeg bevarer hver retning og styrker hver forbindelse,
av mange separate deler skaper jeg en fungerende helhet som er større enn summen av delene.
Avslutning
Si: «Enhet krever ikke ensartethet. Hver del kan beholde sin retning, og jeg styrker stedene der de møtes.»
Ofte stilte spørsmål om polykrystallinsk silisium
Hva er polykrystallinsk silisium?
Hva er den kjemiske formelen?
Hva er forskjellen mellom polykrystallinsk silisium og monokrystallinsk silisium?
Hva er en korngrense?
Er hvert korn i polykrystallinsk silisium en ekte krystall?
Hvor hardt er silisium?
Hva er tettheten?
Hvorfor ser polykrystallinsk silisium ut som en mosaikk?
Hva er polysilisium?
Brukes polykrystallinsk silisium i solceller?
Hvorfor er korngrenser viktige i solceller?
Brukes polysilisium i mikroelektronikk?
Hva symboliserer polykrystallinsk silisium i den moderne forestillingsverdenen?
Polykrystallinsk silisium viser at en fungerende struktur kan skapes ikke ved å fjerne forskjeller, men ved å organisere stedene der ulike retninger møtes med omhu
Historien begynner med det samme silisiumatomet, som i naturen oftest finnes skjult i kvarts og silikatmineraler.
Renset og smeltet silisium begynner å krystallisere mange steder samtidig mens det avkjøles.
Hver krystall vokser i sin egen retning, og når de møtes, danner de korngrenser og blir samtidig til én hard, polykrystallinsk kropp.
I teknologiens verden knytter dette materialet sammen kjemi, krystallfysikk, solenergi og mikroelektronikk. I symbolsk språk kan det minne oss om at en kompleks helhet ikke nødvendigvis trenger én retning – noen ganger viser styrken seg nettopp fordi mange ulike krystaller lærer å eksistere i én og samme kropp.