Polykrystallinsk silisium
Linas JuozenasDel
Polykrystallinsk silisium
Polykrystallinsk silisium er et materiale av krystallinsk silisium som består av mange separate silisiumkrystaller, kalt korn. I hvert korn er atomene ordnet i et regelmessig diamantgitter, men gitterne i nabokornene er dreid i ulike vinkler. På møtestedene deres dannes korngrenser. Det er nettopp denne multikrystallinske strukturen som skiller polykrystallinsk silisium fra monokrystallinsk silisium og gir det den karakteristiske mosaikkoverflaten. Materialet ble et av de viktigste mellomstadiene mellom kvartsråstoff, solceller, mikroelektronikk og svært rene silisiumkrystaller.
Kjemisk er det det samme silisiumet, men i stedet for én sammenhengende krystallorientering finnes det tusenvis eller millioner av mindre krystallinske områder
Rent krystallinsk silisium består av silisiumatomer som er bundet sammen i et svært ordnet tredimensjonalt nettverk. I ett krystallkorn fortsetter denne ordningen i én orientering.
I polykrystallinsk materiale finnes det mange slike korn. Ett kan være dreid noen få grader, mens et annet kan vende i en helt annen retning. Så lenge vi befinner oss inne i ett korn, forblir gitteret ordnet, men når vi nærmer oss kanten, kan ikke atomrekkene lenger fortsette perfekt.
Møtestedet kalles en korngrense. Der har noen av atomene litt annerledes naboskap, og derfor kan krystalldefekter, urenheter og elektroniske tilstander konsentreres her.
Denne forskjellen virker liten ved første øyekast, men den er viktig for elektronikken: elektroner og hull beveger seg annerledes gjennom et perfekt krystallgitter enn gjennom mange av dets grenser.
Essensen i polykrystallinsk silisium: hvert enkelt korn er en krystall, men hele materialet er ikke én krystall. Det er et fellesskap av mange krystaller.
Krystallkorn
Et lite silisiumområde der atomene beholder én felles krystallografisk orientering.
Korngrense
Et område der to ulikt orienterte krystallgitter møtes.
Polikristalinė visuma
Polykrystallinsk helhet
Fysiske og elektroniske egenskaper
| Grått, skinnende og sprøtt halvledermateriale med elektriske egenskaper som i stor grad påvirkes av renhet, urenheter og størrelsen på de krystallinske kornene. | Kjemisk symbol |
|---|---|
| Si | Materialtype |
| Polykrystallinsk elementær halvleder | 14 |
| Atomnummer | Krystallstruktur i kornet |
| Diamantkubisk struktur | Hardhet |
| Omtrent 6,5–7 på Mohs-skalaen | Omtrent 2,33 g/cm³ |
| Smeltepunkt | Omtrent 1414 °C |
| Farge | Mørkegrå, sølvgrå, blågrå eller svartaktig |
| Glans | Metallisk eller halvmetallisk glans |
| Mekaniske egenskaper | Fast, men sprøtt |
| Elektrontype | Halvleder |
| Båndgap | Omtrent 1,12 eV ved romtemperatur |
| Elektrisk ledningsevne | Avhenger i stor grad av temperatur, renhet og kontrollert doping. |
| Den viktigste strukturelle forskjellen | Mange krystallinske orienteringer og korngrensene som skiller dem |
Hvert silisiumatom binder seg til fire naboer og danner et tetraedrisk nettverk som ligner diamantstrukturen.
Orden som gjentar seg i tre retninger
I krystallinsk silisium har hvert atom fire nærmeste silisiumatomer som naboer. De kovalente bindingene danner et romlig nettverk av tetraedre, 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 er ordnet i tetraederretninger, så gitteret er ikke et enkelt kubisk nettverk.
Diamantstruktur
Silisium har samme gittertype som diamant, selv om silisiumatomene er større og bindingene svakere enn i en karbonkrystall.
Elektrontilstander
Den periodiske atomordenen danner valens- og ledningsbånd.
Halvlederens energigap
Det finnes et energigap mellom valensbåndet og ledningsbåndet, og derfor er silisium verken et godt metall eller en vanlig isolator.
Temperaturens innvirkning
Varme kan gi elektronene nok energi til å gå over i ledningsbåndet og øke ledningsevnen.
I polykrystallinsk silisium gjentas det samme diamantgitteret i hvert korn. Det som varierer, er ikke den lokale atomordenen, men hele kornets orientering i rommet.
Mosaikkoverflaten på polykrystallinsk silisium dannes av separate krystallinske områder som reflekterer lys ulikt på grunn av forskjellig orientering.
Én overflate, mange krystallografiske vinkler
Atomene på overflaten av hvert korn er orientert litt forskjellig med hensyn til lys, kjemisk etsing og mekanisk bearbeiding. Derfor kan nærliggende områder se lysere, mørkere eller mer blåaktige ut.
Innsiden av kornet
Atomstrukturen her er ganske regelmessig og ligner strukturen til en monokrystall.
Grense
Når to orienteringer møtes, kan ikke alle atombindingene fortsette i en ideell periodisk sekvens.
Krystallinske defekter
Ved grensene kan det finnes forvrengte bindinger, dislokasjoner og andre gitterdefekter.
Opphopning av urenheter
Noen fremmede atomer samler seg energimessig mer fordelaktig ved korngrensene enn i et perfekt gitter.
Rekombinasjon av ladningsbærere
Elektroner og hull kan lettere rekombinere ved grensene, noe som reduserer deres nyttige levetid.
Kornstørrelse
Jo større kornene er, desto færre grenser finnes i samme materialvolum.
Korngrensene er ikke bare synlige linjer. De er ekte krystallinske grenseflater som kan endre bevegelsen til elektrisk ladning, den mekaniske responsen og fordelingen av urenheter.
Veien fra silisiumdioksid til materiale egnet for elektronikk krever ikke bare at silisiumet smeltes, men også at nesten alle fremmede urenheter fjernes.
Råmateriale av silisiumdioksid
Den industrielle prosessen begynner vanligvis med kvarts eller et annet materiale med svært høyt innhold av silisiumdioksid.
Reduksjon med karbon
Ved høy temperatur fjernes oksygenet, og man får elementært silisium av metallurgisk kvalitet.
Silisium omdannes til flyktige forbindelser
For å kunne rense det med ekstrem presisjon omdannes silisium kjemisk til forbindelser som kan destilleres.
Forbindelsene renses
Ved destillasjon skilles stoffer med andre kokepunkter og annen kjemisk oppførsel enn den ønskede silisiumforbindelsen.
Rent silisium avsettes
Ved høy temperatur spaltes en silisiumholdig gassforbindelse, 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.
Begrepet «polysilisium» brukes ofte i industrien om svært rent polykrystallinsk silisium – et råmateriale som senere brukes til å dyrke monokrystaller eller støpe polykrystallinske emner.
Når smeltet silisium avkjøles, oppstår krystallkimer samtidig mange steder. De vokser til de møter hverandre.
Silisium smeltes
Over smeltetemperaturen forsvinner den langsiktige krystallinske ordenen, og atomene beveger seg i den flytende smelten.
Temperaturen begynner å synke
Ved avkjøling oppstår forhold som gjør at atomene igjen kan binde seg til et krystallinsk diamantgitter.
Mange kim dannes
Separate silisiumkrystaller begynner å vokse i ulike deler av smelten.
Krystallene vokser
Hver kim vokser med sin egen krystallografiske orientering og fester til seg stadig flere silisiumatomer.
Kornene møtes
Frontene til de voksende krystallene møter hverandre og kan ikke lenger fortsette gitteret sitt uten et strukturelt kompromiss.
Korn grenser dannes
Hele materialet stivner til én sammenhengende blokk, men mange separate krystallinske orienteringer blir værende i den.
Hvis hele smelten ble tvunget til å vokse fra én riktig orientert krystallkjerne, uten at andre kjerner ble dannet, kunne man få en monokrystall. En polykrystall oppstår når mange krystallinske sentre vokser samtidig.
Polykrystallinsk silisium bidro til å gjøre solcelleteknologien til et massebasert system for energiproduksjon
Fra lys til elektrisk krets
Et solfoton kan overføre energi til et elektron i silisium og løfte det opp i ledningsbåndet. Et riktig utformet elektrisk felt skiller elektronet fra det gjenværende hullet og leder ladningen inn i den ytre kretsen.
Fotonabsorpsjon
Lys med tilstrekkelig energi kan skape et bevegelig elektron og en positiv ladningsbærer – et hull.
p- og n-type silisium
Ved kontrollert innføring av ulike dopstoffer skapes områder med ulik konsentrasjon av ladningsbærere.
p–n-overgang
Det elektriske feltet som oppstår i grenseflaten mellom to områder, bidrar til å skille lysgenererte ladningsbærere.
Tap ved korngrenser
En del 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 kjennetegner mange klassiske polykrystallinske solcelleelementer, forsterkes av antirefleksjonslag på overflaten.
Et polykrystallinsk solcelleelement er ikke «mindre krystallinsk» enn et monokrystallinsk. Det 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 det ikke er nødvendig å bruke en massiv monokrystall.
Tynnfilmstransistorer
Polykrystallinsk silisium kan brukes i tynnfilmstransistorer i skjermer og andre elektroniske strukturer.
Mikrochipgater
Historisk har sterkt dopet polysilisium vært mye brukt i gateelektroder i MOS-transistorer.
Motstander
En kontrollert kombinasjon av korn, doping og laggeometri gjør det mulig å danne elektriske motstander.
Mikromekaniske systemer
Lag av polykrystallinsk silisium kan bli til mikroskopiske bjelker, membraner og bevegelige strukturer.
Sensorer
De mekaniske og elektriske egenskapene gjør det mulig å bruke polysilisium i mikrosensorer for trykk, bevegelse og andre parametere.
Kontrollert doping
Mengden bor, fosfor eller andre egnede dopstoffer gjør det mulig å endre konsentrasjonen av frie ladningsbærere over mange størrelsesordener.
I elektronikk betyr ordet «polysilisium» ofte ikke et stort, skinnende stykke silisium, men et svært tynt lag av polykrystallinsk silisium integrert i en kompleks mikrochipstruktur.
Atomene i de to materialene binder seg på samme måte, men i det ene fortsetter gitteret nesten uten retningsendring, mens det andre er delt inn i mange krystallinske områder
Monokrystall
Nesten hele emnet har én felles krystallografisk orientering.
Polykrystall
Emnet består av mange separate krystallinske orienteringer.
Korngrenser
I monokrystallen finnes det nesten ingen, mens de i polykrystallen utgjør hele det indre nettverket.
Elektronenes bevegelse
Den mer fullkomne ordenen i en monokrystall gjør det vanligvis mulig for ladningsbærere å bevege seg med færre strukturelle hindringer.
Produksjonsvei
For en monokrystall må man kontrollere veksten av én krystall, mens polykrystallinsk materiale kan størkne fra mange kjerner.
Utseende
På overflaten av polykrystallinsk materiale kan man ofte se et mosaikkmønster av individuelle korn.
Monokrystall og polykrystall er ikke to forskjellige kjemiske materialer. Begge kan være nesten rent elementært silisium – forskjellen ligger i omfanget av den krystallinske ordenen.
Grunnstoffet hvis forbindelser utgjør størstedelen av verdens bergarter, ble også en av de viktigste grunnpilarene i den digitale sivilisasjonen
I naturen finnes silisium nesten aldri som store krystaller av det rene grunnstoffet, fordi det lett binder seg til oksygen. Kvarts, feltspat og en mengde silikater oppbevarer det i oksidert form.
Silisiums industrielle historie begynte med evnen til å skille silisium fra oksygen og andre grunnstoffer, og senere med stadig mer avansert rensing av det.
Elektronikkrevolusjonen krevde ikke bare silisium, men silisium med ekstrem renhet og kontrollert krystallstruktur. Selv svært små mengder uønskede grunnstoffer kan endre halvlederens elektriske egenskaper betydelig.
Produksjonen av polysilisium ble et bindeledd mellom råvarekjemi og krystallteknikk. Fra renset polysilisium kan man smelte emner til solceller eller dyrke store monokrystaller for mikroelektronikk.
Slik ble ett av de vanligste grunnstoffene i jordskorpen til et materiale der det ikke er mengden som er viktig, men en struktur og renhet som kan kontrolleres med enestående presisjon.
Silisiums teknologiske verdi oppsto da mennesker lærte å ikke bare utvinne det, men også kontrollere nesten alle aspekter ved hver krystall – fra urenheter til atomorientering.
En by av mange krystaller
I det flytende silisiumet ble flere små krystaller dannet nesten samtidig.
Hver av dem begynte å vokse i sin egen retning.
«Hvis vi ikke alle er vendt i samme retning, blir vi aldri én kropp», sa den første krystallen.
Men temperaturen fortsatte å synke, og krystallene utvidet seg.
Til slutt møttes kantene deres.
Gitterne passet ikke perfekt sammen. Det oppsto en grense mellom dem.
«Ser du?» sa den første. «Vi er fortsatt forskjellige.»
«Ja», svarte den andre. «Men nå er grensen vår ikke et mellomrom. Den har blitt stedet der vi ble forent.»
Da den smeltede massen størknet, fantes det ikke én perfekt krystall. Det var millioner av dem – og sammen ble de til ett fungerende materiale.
Dette er ikke en gammel legende. Det er en kreativ fortelling inspirert av den virkelige veksten av korn i polykrystallinsk silisium.
Enhet mellom mange retninger, evnen til å bevare en særpreget struktur og samtidig skape et større system som fungerer bare takket være alle delene sine
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 likhet. Dette er en kreativ tolkning, ikke en vitenskapelig bekreftet effekt på mennesker.
Et enkelt korn
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 bli ikke bare en konflikt, men også selve stedet der de forenes.
Krystallisering
Orden kan oppstå mange steder samtidig og senere forenes til ett system.
Halvleder
Evnen til å styre når energien flyter og når den stopper, kan symbolisere bevisste grenser og målrettet handling.
Solcelle
Energi 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 en felles struktur
Denne tørre, symbolske praksisen er beregnet på en situasjon der du har flere ulike oppgaver, ferdigheter eller personer og ønsker å forstå hvordan du kan forene dem til ett fungerende system uten å tvinge alle til å bli like.
Dette trenger du
- én prøve av polykrystallinsk silisium;
- et papirark;
- en penn;
- av ett system eller prosjekt som du ønsker å organisere bedre.
Korn
Tegn flere separate områder på arket, og skriv inn én del av prosjektet, én person, én ferdighet eller ett ansvarsområde i hvert av dem.
Retninger
Marker ved hver del hva den gjør best, og hvilken retning den ikke bør tvinges til å endre.
Grenser
Skriv mellom de tilstøtende områdene hvilken informasjon, hvilke ressurser eller beslutninger som må overføres fra det ene til det andre.
Defektområder
Marker én overgang der det for tiden går tapt mest tid, energi eller tydelighet.
Sterkere forbindelse
Velg én liten endring som kan forbedre nettopp denne grensen: en tydeligere regel, bedre informasjonsflyt eller en enklere prosess.
Besvergelse
Plasser polykrystallinsk silisium i midten av diagrammet og si følgende tre ganger:
Retninger bevarer jeg, grenser forbinder jeg,
jeg skaper en fungerende helhet av mange deler.
Avslutning
Si: «Enhet krever ikke likhet. Hver del kan beholde sin retning, og jeg kan styrke stedene der de møtes.»
Vanlige spørsmål om polykrystallinsk silisium
Hva er polykrystallinsk silisium?
Hva er den kjemiske formelen?
Hvordan skiller polykrystallinsk silisium seg fra monokrystallinsk silisium?
Hva er en korngrense?
Er hvert korn av polykrystallinsk silisium en ekte krystall?
Hva er hardheten til silisium?
Hva er tettheten?
Hvorfor ser polykrystallinsk silisium mosaikkaktig ut?
Hva er polysilisium?
Brukes polykrystallinsk silisium i solceller?
Hvorfor er korngrenser viktige for 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 nøyaktig.
Historien begynner med det samme silisiumatomet som i naturen oftest skjuler seg i kvarts og silikatmineraler.
Renset og smeltet silisium begynner å krystallisere på mange steder samtidig når det avkjøles.
Hver krystall vokser i sin egen retning, og når de møtes, danner de korngrenser og blir sammen til én fast polykrystallinsk kropp.
I teknologiens verden knytter dette materialet sammen kjemi, krystallfysikk, solenergi og mikroelektronikk. I et symbolsk språk kan det minne oss om at en kompleks helhet ikke nødvendigvis må ha én retning – noen ganger oppstår styrken nettopp fordi mange ulike krystaller lærer å eksistere i én kropp.