Silicis
Linas JuozėnasDele
Silisium: et tetraedrisk grunnstoff som knytter sammen stein, glass, lys og logikk
Silisium knytter sammen to skalaer som sjelden omtales når man forteller om det samme materialet. I jordskorpen danner det rammeverk, kjeder, lag og isolerte tetraedre med oksygen i sentrum. Disse utgjør kvarts, feltspat, leire, glimmer, pyroksen, amfibol og en rekke andre mineraler. Renset til elementær form blir det samme atomet en nøyaktig kontrollerbar halvleder, der ledningsevnen kan endres med svært små mengder bor, fosfor og lignende dopstoffer. Verdien skyldes ikke at det er et vanlig metall eller har en edelstens farge, men strukturen: fire kovalente bindinger, et stabilt oksid, en justerbar båndgapbredde og et produksjonssystem som gjør det mulig å forme milliarder av enheter på en polert krystalloverflate.
Korte fakta
Elementært silisium er en halvleder med kovalente bindinger, ikke et vanlig metall. Den polerte overflaten kan se metallisk ut, men de elektriske egenskapene, det sprø bruddet, lysabsorpsjonen og krystallstrukturen, der hvert atom har fire naboer, plasserer det i en annen materialkategori. Nesten alt silisium som finnes i naturen, er kjemisk bundet til oksygen og andre grunnstoffer; elementære silisiumprøver av samlerverdig størrelse er vanligvis renset eller dyrket i et laboratorium.
| Term | Betydning | Viktig forskjell |
|---|---|---|
| Silisium | Det kjemiske grunnstoffet Si, i form av et elementært stoff, en legering eller et krystallinsk, polykrystallinsk eller amorft materiale. | Elementært silisium er verken kvarts eller en fleksibel silikonpolymer. |
| Silisiumdioksid | Silisiumdioksid, SiO₂, finnes i form av kvarts, tridymitt, kristobalitt, coesitt, stishovitt, opal, glass og beslektede materialer. | Silisiumdioksid inneholder oksygen, og egenskapene er svært forskjellige fra egenskapene til elementært silisium. |
| Silikat | En stor gruppe mineraler og materialer der strukturen er basert på silisium- og oksygentetraedre bundet til metaller og andre kationer. | Feltspat, glimmer, leire, pyroksen, amfibol, olivin og granat er silikater, ikke elementært silisium. |
| Silikon | En familie av syntetiske polysiloksanmaterialer der silisium- og oksygenatomer veksler i polymerenes hovedkjede. | Silikoner kan være gummiaktige, flytende, harpiksholdige eller klebrige; de er ikke elementært silisium. |
| Silisiumkarbid | SiC er en hard, kovalent keramikk som finnes naturlig som det sjeldne mineralet moissanitt, og produseres i ulike former for tekniske bruksområder. | Det er hardere, tettere og har andre optiske egenskaper enn elementært silisium. |
| Polysilisium | Polykrystallinsk silisium med høy renhet, avsatt som stenger, stykker eller granuler for produksjon av halvledere og fotovoltaiske produkter. | Navnet viser til mange krystallinske korn, ikke en polymer som inneholder silisium. |
| Monokrystallinsk silisium | En enkelt krystall med ensartet krystallografisk orientering gjennom hele det brukbare volumet. | De fleste wafere til integrerte kretser lages av nøye dyrkede monokrystallinske ingoter. |
| Amorft silisium | Ikke-krystallinsk silisium som avsettes som en tynn film, hydrogenbehandles vanligvis for å redusere antallet elektroniske defekter. | Det har ikke den langtrekkende ordenen i den diamantlignende kubiske strukturen som finnes i en krystallplate. |
Identitet, navn og skillet mellom grunnstoff og mineral
Silis er et grunnstoff, ikke et generelt navn på alle silisiumholdige materialer. Dette skillet er viktig fordi elementært silis er en mørk, ugjennomsiktig og sprø halvleder med en diamantlignende kubisk struktur, mens kvarts er silisiumdioksid som er gjennomsiktig eller halvgjennomsiktig, og silikon er en syntetisk polymer.
Navnet har røtter i ord knyttet til flint og hard stein. Tidlige kjemikere forsto at silisiumdioksid sannsynligvis inneholdt et ukjent grunnstoff, lenge før de klarte å isolere det. Den moderne engelske formen silicon ble tatt i bruk før man hadde tilstrekkelig rene prøver til detaljerte fysiske undersøkelser.
Det er rapportert om naturlig elementært silisium i sjeldne meteoritter og sterkt reduserende miljøer på jorden, men slike funn er vanligvis mikroskopiske og må bekreftes med analytiske undersøkelser. En håndflatestor prøve merket «silisium» er nesten alltid et industrielt materiale: metallurgisk silisium, polysilisium, en krystall dyrket fra smelte, en skive eller en bearbeidet komponent.
Elementært silisium
En kovalent krystall som utelukkende består av silisiumatomer, bortsett fra dopstoffer, urenheter, overflateoksid og lag som er dannet under behandling.
Silisiumdioksid
Krystallinske, glassaktige, opale eller høytrykksformer av silisiumdioksid. Oksygenskjelettet gir helt andre optiske og kjemiske egenskaper.
Silikatmineraler
Mineraler der silisium- og oksygentetraedre er bundet til aluminium, magnesium, jern, kalsium, natrium, kalium og andre grunnstoffer.
Silisiumlegeringer
Ferrosilisium og aluminium-silisium-legeringer inneholder betydelige mengder silisium, men har egenskaper som flerfasede metalliske materialer, ikke som rene halvledere.
Silikoner
Industrielt framstilte polymerer der fleksibiliteten, tetningsegenskapene, den termiske stabiliteten og overflateegenskapene bestemmes av en hovedkjede av Si–O med organiske sidegrupper.
Samlert terminologi
Beskrivelser bør angi om prøven er av metallurgisk kvalitet, polysilisium, monokrystallinsk, polykrystallinsk, materiale beregnet på skiver, belagt, dopet eller behandlet.
Atomarkitektur: hvorfor fire bindinger endrer alt
Ved normalt trykk har krystallinsk silisium en diamantkubisk struktur. Hvert atom er bundet til fire naboatomer som ligger i retningene til tetraederets hjørner. Dette åpne, retningsbestemte nettverket forklarer silisiums sprøhet, kløvbarhet, halvledende båndstruktur, relativt lave tetthet og uvanlige utvidelse ved størkning.
Tetraedrisk koordinasjon
Hvert silisiumatom danner fire sterke kovalente bindinger med en ideell innbyrdes vinkel på omtrent 109,5°. Denne geometrien gjentas i krystallen i tre dimensjoner.
Diamantkubisk gitter
Denne strukturen kan beskrives som to kubiske flatesentrerte undergitter som trenger inn i hverandre og er forskjøvet i forhold til hverandre.
Kløvbarhet og brudd
Enkeltkrystaller kan spaltes langs {111}-plan. Fragmenter viser også buede, konkkoidale bruddflater, særlig der bruddet ikke følger ett tydelig plan.
Utvidelse ved størkning
I flytende silisium ligger atomene tettere enn i fast silisiums åpne tetraedriske struktur, så materialet utvider seg når det størkner – en uvanlig egenskap som også kjennetegner vann og noen få beslektede materialer.
Høytrykksstrukturer
Ved svært høyt trykk omdannes silisium til tettere faser med metalliske egenskaper. Dette viser at de elektriske egenskapene ikke bare avhenger av sammensetningen, men også av atomstrukturen.
Isotopsammensetning
Naturlig silisium domineres av ²⁸Si, mens det finnes mindre mengder ²⁹Si og ³⁰Si. Isotoprensing er viktig innen presisjonsmetrologi og i enkelte studier av kvanteenheter.
Enkeltkrystall
Én sammenhengende krystallografisk orientering gjør det mulig å forutsi elektrontransport, kontrollere spalting og sikre reproduserbar produksjon av enheter.
Polykrystallinsk silisium
Mange ulikt orienterte korn møtes ved korngrensene, som kan fange ladning, spre ladningsbærere, samle urenheter eller gjøre brudd lettere.
Amorft silisium
Ingen langtrekkende orden. Ved bruk i tynnfilmselektronikk passiveres mange ubundne bindinger vanligvis med hydrogen.
Porøst og nanostrukturert silisium
Kontrollert etsing eller vekst skaper porer, tråder, partikler og fotoniske strukturer med egenskaper som skiller seg fra egenskapene til en bulkkrystall.
Silisium på jorden: tetraedre, forvitring, sedimenter og liv
Silisium er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen målt etter masse, men det meste er bundet til oksygen. SiO₄-tetraederet er en av de viktigste strukturelle enhetene i mineralogien; disse tetraedrene bindes sammen på ulike måter og danner bergarter fra mantelen til kontinentenes overflate.
| Strukturell oppbygning | Hvordan tetraedrene bindes sammen | Karakteristiske materialer |
|---|---|---|
| Enkeltstående tetraedre | Hver SiO₄-enhet forblir separat og bindes til andre via andre kationer. | Olivin, granat, zirkon og mange mantel- eller metamorfe mineraler. |
| Doble grupper og ringer | Tetraedre deler visse oksygenatomer og danner doble enheter eller lukkede ringer. | Strukturer i epidotgruppen, beryll, turmalin og beslektede mineraler. |
| Enkle kjeder | Hvert tetraeder deler to oksygenatomer langs en utstrakt kjede. | Pyroksener, som augitt, diopsid og enstatitt. |
| Doble kjeder | To tetraederkjeder kobles periodisk sammen til bredere bånd. | Amfiboler, som hornblende og tremolitt. |
| Lag | Hvert tetraeder deler tre oksygenatomer og danner brede lag. | Žėručiai, molio mineraler, talk og serpentinitter og kloritter. |
| Skirtingos | Alle tetraederets fire hjørner inngår i et tredimensjonalt nettverk. | Feltspater, feltspatoider, zeolitter, kvarts og kvartsglass. |
Magmatiske bergarter
Silisiuminnholdet og metningsgraden med silisiumdioksid bidrar til å bestemme magmaets viskositet, mineralsammensetning, utbruddstype og om det vil krystallisere kvarts, feltspat, pyroksen, olivin eller feltspatoider.
Forvitring og jord
Forvitring av silikater frigjør oppløst kiselsyre og danner leirmineraler, og over geologiske tidsrom forbrukes atmosfærisk karbondioksid.
Sand og sedimenter
Kvarts overlever mange forvitringssykluser og hoper seg opp i sand, sandstein, strandavsetninger, sanddyner og elvesystemer.
Biogent silisiumdioksid
Kiselalger, radiolarier, mange svamper og plantefytolitter danner strukturer av hydrert eller amorft silisiumdioksid som er tatt opp fra vann eller jord.
Silisiums oppførsel i jordens indre
I mantelen inngår silisium i høytrykksilikater. Ved enda høyere trykk endres koordinasjonstallet, og tette strukturer blir stabile.
Diagenese av silisiumdioksid
Biogen opal og vulkansk glass begravd under sedimenter kan omdannes til opal-CT, kalsedon eller kvarts, noe som endrer porøsiteten og bergartens styrke.
Fysiske, termiske, kjemiske og optiske egenskaper
Referanseverdiene avhenger av temperatur, krystallorientering, urenhetskonsentrasjon, ladningsbærertetthet, kornstruktur og overflatebehandling. Derfor er egenskapene til en enkeltkrystall av halvlederkvalitet mer reproduserbare enn egenskapene til et stykke metallurgisk silisium som inneholder jern, aluminium, kalsium, karbon og andre urenheter.
| Egenskap | Typisk verdi eller oppførsel | Praktisk betydning |
|---|---|---|
| Atomnummer | 14. | Bestemmer silisiums plassering i periode 3 mellom aluminium og fosfor og i karbonfamilien. |
| Standard atommasse | 28,085. | Gjenspeiler den naturlige blandingen av tre stabile isotoper. |
| Krystallsystem | Kubisk, diamantstruktur; romgruppe Fd3̅m. | Bestemmer spaltning, anisotrope mekaniske egenskaper, elektroniske energibånd og platens orientering. |
| Tetthet | Omtrent 2,329 g/cm³ ved temperatur nær romtemperatur. | Lettere enn galenitt, hematitt, silisiumkarbid og de fleste lignende materialer med metallisk utseende. |
| Hardhet | Omtrent 6,5–7 på Mohs skala. | Motstandsdyktig mot riper fra vanlig stål, men kan ripes av kvarts, korund, diamant og harde slipestøvpartikler. |
| Spaltning og brudd | Tydelig spaltning langs {111}-plan; i andre retninger er bruddet muslig eller ujevnt. | Tynne plater og skarpe fragmenter kan plutselig brekke når de bøyes eller når kanten utsettes for trykk. |
| Smeltepunkt | Omtrent 1414 °C. | Gjør det mulig å dyrke krystaller fra smelte, men krever kontrollerte krystallproduksjonssystemer som tåler høye temperaturer. |
| Kokepunkt | Omtrent 3265 °C. | Viktig ved høytemperaturbehandling og kontroll av forurensning i dampfasen. |
| Varmeledningsevne | For en monokrystall av høy renhet ved nær romtemperatur, omtrent 148 W/m·K. | Høy sammenlignet med andre halvledere og keramikkaktige faste stoffer, men lavere enn for kobber eller sølv. |
| Termisk utvidelse | Lav; den retningsbestemte egenskapen begrenses av det kubiske krystallgitteret. | Nyttig i presisjonsinstrumenter, selv om temperaturgradienter fortsatt kan føre til at platen sprekker. |
| Båndbredde | Indirekte forbudt bånd med en båndbredde på omtrent 1,12 eV ved romtemperatur. | Egner seg til elektronikk og omdanning av solenergi til elektrisitet, men sender ikke ut lys like effektivt som halvledere med direkte forbudt bånd. |
| Synliglysoptikk | Absorberer lys sterkt og fremstår ugjennomsiktig i vanlig massiv form. | Polerte plater ser mørkegrå, brungrå eller nesten svarte ut under overflatebeleggene. |
| Infrarød optikk | Høy brytningsindeks og praktisk brukbar transmisjon i enkelte områder av nær og middels infrarød stråling. | Gjør det mulig å produsere infrarøde linser, vinduer, sensorer og integrerte fotonikkenheter. |
| Naturlig overflateoksid | En tynn silisiumoksidfilm dannes naturlig i luft; et tykkere oksidlag av høy kvalitet dyrkes eller avsettes industrielt. | Passiverer overflaten og danner et teknologisk verdifullt grensesjikt. |
| Kjemiske egenskaper | Overflateoksidet gjør det stabilt i vann og motstandsdyktig mot mange syrer ved romtemperatur; spesialiserte etsemidler og sterke baser kan angripe det. | Rengjøring med husholdningsprodukter er vanligvis unødvendig; det kan skade belegg eller metalliseringslag. |
Halvlederfysikk: ladningsbærere, dopanter, overganger og grenseflater
I rent krystallinsk silisium er det svært få bevegelige ladningsbærere ved romtemperatur sammenlignet med i et metall. Den praktiske nytten kommer til syne når temperatur, lys, elektriske felt og nøye utvalgte urenheter endrer antallet og bevegelsen til elektroner og hull.
Eget silisium
Termisk energi flytter av og til et elektron over det forbudte båndet og etterlater en bevegelig, ubesatt tilstand som kalles et hull. Det er like mange elektroner som hull.
Silisium av n-type
Donoratomer, for eksempel fosfor, arsen eller antimon, avgir elektroner som beveger seg lettere gjennom krystallen enn de naturlige ladningsbærerne.
Silisium av p-type
Akseptoratomer, vanligvis bor, skaper bevegelige hull som fungerer som positive ladningsbærere i valensbåndstrukturen.
p–n-overgang
Der p-type- og n-type-områder møtes, oppstår et indre elektrisk felt når ladningene omfordeles. Virkemåten til dioder, fotodioder, transistorer og solceller avhenger av egenskapene til denne overgangen.
MOS-overgang
Et lag av oksid eller et lignende dielektrikum dannes under kontrollerte forhold og skiller portelektroden fra silisiumet. Elektriske felt ved overgangen skaper eller fjerner deretter en ledende kanal.
Defekter og feller
Vakanser, dislokasjoner, urenheter, korngrenser, ubundne bindinger og forurensede overflater kan fange ladning eller forkorte ladningsbærernes levetid.
| Materialtilstand | Dominerende ladningsbærere | Fremstillingsmåte | Vanlig bruk |
|---|---|---|---|
| Eget silisium | Like mange termisk genererte elektroner og hull. | En svært ren krystall uten tilsiktet tilsatte elektrisk aktive dopemidler. | Et referansepunkt for vurdering av egenskaper, et detektormateriale og et utgangspunkt for utforming av enheter. |
| Silisium av n-type | Elektroner. | Tilsiktet doping med donorurenheter, ofte fosfor, arsen eller antimon. | Transistorområder, kontakter, dioder, sensorer og solcellestrukturer. |
| Silisium av p-type | Hull. | Tilsiktet doping med akseptorurenheter, vanligvis bor. | Substrater, transistorområder, overganger, sensorer og fotovoltaiske enheter. |
| Kompensert silisium | Bestemmes av balansen mellom donor- og akseptoratomer. | Det finnes dopemidler av begge typer, tilsiktet tilsatt eller tilført gjennom forurensning. | Presis kontroll av resistiviteten eller kompensering for virkningen av uønskede urenheter. |
| Degenerert dopet silisium | Svært høy konsentrasjon av elektroner eller hull. | Kraftig doping under implantasjon, diffusjon eller krystallvekst. | Kontakter med lav motstand og områder som delvis har egenskaper som ledere. |
Fra kvarts til en krystall for elektronikk
Produksjon av silisium består av en rekke trinn der den kjemiske sammensetningen og strukturen kontrolleres stadig mer presist. Kvarts reduseres til metallurgisk silisium, som renses ved hjelp av flyktige forbindelser, utfelles som polysilisium, krystalliseres til en barre, skjæres i skiver og deretter formes strukturer i materialet gjennom hundrevis av strengt kontrollerte prosesstrinn.
- Karbotermisk reduksjonKvarts eller kvartsitt med høy renhet reagerer med karbon i en ovn med nedsenket lysbue. Den forenklede totalreaksjonen er: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silisium av metallurgisk kvalitetProduktet fra ovnen inneholder vanligvis omtrent 98–99 % silisium, og mengden urenheter er fortsatt altfor høy for avansert elektronikk.
- Kjemisk omdanningGjennom kjemiske reaksjoner omdannes silisium til flyktige klorsilaner eller silan, slik at det kan destilleres på nytt og renses kjemisk.
- Deponering av polysilisiumDe rensede gassene spaltes på oppvarmede overflater eller i fluidiserte sjikt og danner ultrarene staver eller granuler.
- KrystallvekstVed å trekke krystaller med Czochralski-metoden eller rense dem med den digelfrie sonesmeltemetoden får man monokrystaller med kontrollerte egenskaper; støping eller retningsbestemt størkning gir multikrystallinsk materiale.
- Produksjon av wafereFør produksjonen av komponenter begynner, orienteres boulene, sages opp til wafere, kantene rundes av, og overflatene glattes, etses og poleres.
Kvarts reduseres ved høy temperatur
I kjemiske reaksjoner i en elektrisk ovn fjerner karbonholdige materialer oksygen, og det dannes smeltet silisium med kontrollert, men fortsatt høyt innhold av urenheter.
Silisium omdannes til gasser som kan renses
Flyktige forbindelser gjør det mulig å skille ut bor, fosfor, metaller, karbonholdige kjemiske partikler og andre forurensninger ved kjemisk behandling.
Ultrarent polysilisium deponeres
Renheten, med mange niere i prosenttallet, oppnås fordi urenheter som ellers ville endret ladningsbærernes levetid og resistivitet, fjernes eller skilles ut i hvert prosesstrinn.
Krystallens orientering fastslås
En frøkrystall styrer veksten slik at den valgte orienteringen opprettholdes i boulen som vokser, og konsentrasjonen av dopstoffer kontrolleres.
Boule blir til wafere
Tynne skiver sages ut med en vaier. Kantene bearbeides, og kjemisk etsing og kjemisk-mekanisk polering brukes for å lage en flat overflate med få defekter.
Komponentene bygges opp lag for lag
Elektroniske strukturer dannes over hele waferen gjennom oksidering, deponering, litografi, etsing, implantasjon, diffusjon, rengjøring, gløding og metallisering.
Industrielle former, krystalltyper og samlerprøver
Prøver av elementært silisium er vanligvis produksjonsprodukter, ikke funn fra geologiske ekspedisjoner. Derfor er den mest nyttige informasjonen om opprinnelsen industriell: produksjonsprosess, renhetsgrad, dyrkingsmetode, krystallorientering, belegg, produsent, dato og opprinnelig bruksområde.
Metallurgisk silisium
Mørke, stålgrå biter med glinsende bruddflater, ujevnt fordelte urenheter, glassaktig brudd og iblant et blålig eller bronsefarget overflatebelegg.
Polysilisiumstav
Silisium med høy renhet som er avsatt slik at overflaten rundt en kjernetråd er matt, knudrete, kornete eller ligner et blomkålhode.
Granulat av polykrystallinsk silisium
Små, løse partikler laget slik at de er enkle å håndtere og smelte ved krystalldyrking eller produksjon av fotovoltaiske enheter.
Monokrystallinsk barre
En sylindrisk eller annenformet krystall der orientering, diameter, oksygeninnhold, dopant og spesifikk elektrisk resistivitet er nøye kontrollert.
Speilpolert plate
En tynn, svært flat skive med et hakk eller en rett kantdel for å angi orientering. Fargen kan skyldes oksid-, nitrid- eller fotoresistfilmer eller en flerlagsfilm.
Multikrystallinsk plate
Et snitt med mange krystallkorn, ofte synliggjort av etsede grenser, retningsbestemt tekstur eller ulik refleksjon.
Dendrittisk silisium
Forgrenede krystallformer dyrket fra smelte ved kontrollert avkjøling, ikke dannet ved vanlig mineralvekst i naturen.
Amorf silisiumfilm
Et tynt avsatt lag som brukes i elektronikk, detektorer, skjermer og fotovoltaiske strukturer, ikke en separat samlerkrystall.
Silisium dyrket med Czochralski-metoden
Dyrkes fra smelte i en digel av silisiumdioksid. Oksygeninnholdet kan kontrolleres og påvirker den mekaniske styrken og defektenes oppførsel.
Silisium dyrket ved digelløs sonesmelting
En smal smeltet sone beveger seg langs en stang uten bruk av digel, noe som gir silisium med svært lavt oksygeninnhold og høy spesifikk elektrisk resistivitet.
Multikrystallinsk silisium til solceller
Tradisjonelt ble det støpt til blokker med mange krystallkorn. Korngrensene og urenhetene gjør passivering og nøye utforming av solceller nødvendig.
Teknologisk bearbeidet brikke
Et avskåret stykke av en plate med transistorer, sensorer, sammenkoblingsledere, optiske strukturer eller testmønstre. De synlige fargene skyldes hovedsakelig tynne filmer på overflaten.
Historisk plate
En plate med dokumentert opprinnelse knyttet til et kjent forskningsprogram, en produksjonslinje, en generasjon enheter eller en institusjon kan ha teknologisk betydning som overstiger materialverdien.
Sjelden silisiumnugget
Naturlige korn av elementært silisium er vanligvis mikroskopiske, påvises med analytiske metoder og finnes innleiret i en meteoritt eller en uvanlig jordisk matrise, ikke som store, separate krystaller for salg.
Overflatekjemi, farger fra tynne filmer og infrarødt lys
Ubelagt silisium er ikke naturlig sterkt blått, fiolett eller gyllent. Disse fargene oppstår vanligvis når lys reflekteres fra både den øvre og den nedre grenseflaten i en tynn, gjennomsiktig film. Selv små variasjoner i oksid- eller nitridtykkelsen endrer interferensfargen betydelig.
Naturlig oksid
Ved eksponering for luft dannes det et svært tynt oksidlag som kjemisk passiverer overflaten, men som kan være for tynt til å skape en tydelig synlig farge.
Termisk oksid
Kontrollert oksidering danner et tett SiO₂-lag med en tykkelse som kan måles optisk og tilpasses isolering, maskering og styring av overflateegenskaper.
Silisiumnitrid
Si₃N₄-belegg brukes til passivering, styring av mekanisk spenning, maskering og reduksjon av refleksjon. Interferensfargene kan ligne på oksidfarger eller være sterkere.
Fotoresist og prosessfilmer
Organiske resister, metaller, dielektrika og flerlagsstrukturer gir ekstra farger som ikke gjenspeiler den iboende fargen til massivt elementært silisium.
Gjennomsiktighet for infrarød stråling
Under absorpsjonskanten slipper tilstrekkelig rent silisium gjennom deler av det infrarøde spekteret og har høy brytningsindeks.
Absorpsjon fra frie ladningsbærere
Ved kraftig doping oppstår det mobile ladningsbærere som absorberer infrarød stråling og innsnevrer det nyttige optiske vinduet.
| Observert trekk | Sannsynlig årsak | Hva du bør ta hensyn til ved vurderingen |
|---|---|---|
| Jevnt stålgrå bruddflate | En fersk overflate av elementært silisium med en tynn, dekorativ overflatefilm. | Metallurgiske urenheter kan gjøre overflaten mørkere eller flekkete. |
| Blå, fiolett, rosa eller ravfarget wafer | Interferens i tynne filmer forårsaket av oksid, nitrid, resist eller flerlagsprosessering. | Fargen alene viser ikke typen dopemiddel, renhetsgraden eller hva enheten skal brukes til. |
| Speilblank, svartpolert overflate | Absorpsjon av synlig lys kombinert med en svært flat, reflekterende overflate. | Et mørkt utseende betyr ikke at materialet er amorft eller urent. |
| Matt polykrystallinsk overflate | Mange små krystallinske vegger, korngrenser, avsatte knoller eller kjemisk etsing. | Teksturen kan oppstå under produksjonen, ikke ved naturlig krystallisering. |
| Radiale eller virvelformede merker på skiven | Polering, rengjøring, ujevn avsetning, striper fra krystallvekst eller rester fra prosessen. | Det kan være nødvendig med en profesjonell mikroskopisk undersøkelse for å skille produksjonsspor fra skader. |
| Et regelmessig innhakk eller et rett kantsegment | Et orienterings- og håndteringselement som er laget under produksjonen. | Dette er ikke en skade fra naturlig nedbrytning. |
Bruksområder: fra kjemien til bergartsdannende forbindelser til programmerbare overflater
Silisiums betydning strekker seg langt utover dataprosessorer. Forbindelsene dominerer geologiske materialer, og renset elementært silisium brukes i energikonvertering, sensorer, mekanikk, optikk, kjemi og presisjonsmålinger.
Glass og keramikk
Silisiumdioksid og silikater brukes til å lage vindusglass, fibre, optisk glass, porselen, ildfaste materialer, glasurer, laboratorieutstyr og teknisk keramikk.
Sement og betong
Kalsiumsilikater står for størstedelen av hydratiseringen av portlandsement og styrkeutviklingen i betong.
Integrerte kretser
Silisiumskiver brukes til å lage logiske kretser, minnekretser, analog elektronikk, strømstyring, kommunikasjonssystemer og systemer for blandede signaler.
Solcelleteknologi
Krystallinsk silisium absorberer sollys, skiller lysgenererte ladningsbærere ved overgangene og er fortsatt grunnlaget for de fleste konvensjonelle solcellemoduler.
MEMS og sensorer
Mikromaskinert silisium brukes til å lage akselerometre, trykksensorer, mikrofoner, gyroskoper, væskestyringssystemer og resonansstrukturer.
Infrarød optikk og fotonikk
Høy brytningsindeks og infrarød gjennomtrengning gjør det mulig å utvikle bølgeledere, modulatorer, detektorer, linser og integrerte optiske kretser.
Metallurgiske legeringer
Silisium forbedrer støpeegenskapene, deoksiderer stål, endrer egenskapene til aluminiumslegeringer og inngår i varmebestandige silisider.
Silikonmaterialer
Sluttproduktene fra industriell silisiumkjemi omfatter tetningsmidler, elastomerer, smøremidler, innstøpingsmaterialer, materialer egnet for medisinsk bruk og varmebestandige polymerer.
Presisjonsmetrologi
Ekstra rene silisiumkrystaller og kuler med kontrollert isotopsammensetning brukes til dimensjonsmålinger og forskning på fundamentale konstanter.
Kvanteenheter
Isotopisk renset silisium kan redusere magnetisk støy rundt spinnbaserte kvantetilstander og gi en veletablert produksjonsplattform.
Identifisering og materialer som ofte forveksles
Massivt elementært silisium identifiseres mest pålitelig ved en kombinasjon av kjennetegn: lav tetthet for et materiale med metallisk utseende, sprøtt muslingformet brudd, mørkegrå farge, hard overflate, manglende formbarhet som hos metaller og industriell opprinnelse. Fremstilte skiver er lettere å identifisere ut fra geometrien, hakket, poleringen og prosesslagene enn ved å utføre tester i felt.
Rekkefølge for ikke-destruktiv undersøkelse
Før du undersøker én blank overflate, bør du se på hele objektet. Emballasjen til industrimaterialet, etiketter, spor etter prosessering, orienteringshakk og tilhørende utstyr kan gi mer informasjon enn selve bruddet.
- Fastslå objekttypenSkill mellom silisium fra smelteverk, polysilisium, enkrystall, skive, brikke, belagt substrat, legering eller etterligning.
- Vurder tettheten kvalitativtSilisium virker overraskende lett sammenlignet med galena, hematitt, stål eller silisiumkarbid av lignende størrelse.
- Undersøk bruddgeometrienSe etter muslingformede krumninger, skarpe kanter, lysreflekterende flater og variasjon i korngrensene.
- Undersøk overflatelageneFinn ut om fargen skyldes oksid, nitrid, metall, resist, forurensning eller et dekorativt belegg.
- Se etter kornstrukturI et polykrystallinsk materiale kan man se korngrenser, korn, segregerte urenheter og uregelmessige bruddforløp.
- Kontroller de magnetiske egenskapeneRent silisium er ikke ferromagnetisk; en sterk reaksjon kan tyde på ferrosilisium, metall som har festet seg eller forurensning.
- Unngå å ripe opp skiveneHardhetstester skader polerte overflater og kan føre til sprekker som starter ved kanten.
- Bruk analysemetoder ved behovRaman-spektroskopi, røntgendiffraksjon, måling av spesifikk elektrisk resistans, måling av infrarød transmisjon og metoder for sammensetningsanalyse kan bekrefte materialets identitet og teknologiske tilstand.
| Materiale | Hvorfor det kan ligne på silisium | Nyttige kjennetegn for å skille materialene |
|---|---|---|
| Kvarts eller kvartsglass | Lignende hardhet, muslingformet brudd og en kjemisk sammensetning med høyt silisiuminnhold. | Kvarts og kvartsglass er SiO₂, vanligvis gjennomsiktige eller halvgjennomsiktige og uten metallisk glans; elementært silisium er mørkt og ugjennomsiktig. |
| Silisiumkarbid | Et mørkt kovalent materiale med metallisk glans eller regnbueskimring på overflatene. | SiC er mye hardere og tettere; det har ofte en tydeligere kunstig regnbueskimring eller flakformede krystaller. |
| Galena | Blygrått metallisk utseende og sprøhet. | Galena er mye tyngre, mykere og har perfekt kubisk spalting. |
| Hematitt | Stålgrå overflater med metallisk eller halvmetallisk glans. | Hematitt er tettere og etterlater en rødbrun strek. |
| Grafitt | Mørkegrå farge, halvmetallisk glans og elektrisk ledningsevne. | Grafitt er svært mykt, fett å ta på, etterlater et mørkt merke og deler seg i fleksible flak. |
| Ferrosilisium | Industrielle, mørke blokker med metallisk glans og høyt silisiuminnhold. | Høyere tetthet, mulige magnetiske egenskaper, metalliske legeringsfaser og en kjemisk sammensetning med høyt jerninnhold. |
| Metallisk glass eller slagg | Mørk, lysreflekterende bruddflate og uregelmessig industriform. | Bobler, flytestruktur, varierende tetthet, blandet sammensetning og fravær av kjennetegn på krystallinsk silisium. |
| Belagt glasskive | En flat, rund skive med fargerike tynnfilmer. | Lysgjennomgang ved kanten, lavere tetthet, bruddmønster og optiske undersøkelser bidrar til å skille glass fra silisium. |
Isolering, halvledervitenskap og framveksten av silisium som teknologisk plattform
Silisiums historie strekker seg fra mineralanalyse til kjemisk isolering, fra et sprøtt laboratoriemateriale til en ultraren krystall og fra enkeltstående likerettere til integrerte systemer. Det avgjørende gjennombruddet var ikke bare å oppdage grunnstoffet, men også å kunne kontrollere renheten, overflaten, krystalldefektene og grenseflatene.
Silisiumdioksid identifiseres som oksidet til et ukjent grunnstoff
Kjemikere forsto at kvarts og beslektede materialer inneholder en komponent som motstår vanlige reduksjonsmetoder, men den var fortsatt vanskelig å isolere fordi silisium danner sterke bindinger med oksygen.
Urent silisium framstilles, og det engelske navnet tar form
Tidlige reduksjonsforsøk ga et silisiumholdig materiale, og det engelske navnet «silicon» erstattet former som var mer direkte dannet etter mønster av navn på metalliske grunnstoffer.
Jöns Jacob Berzelius isolerer amorft silisium
Berzelius framstilte og beskrev et langt renere grunnstoff og la grunnlaget for å fastslå silisiums kjemiske identitet.
Krystallinsk silisium framstilles
Henri Sainte-Claire Deville framstilte krystallinsk silisium, noe som gjorde det lettere å undersøke glansen, sprøheten og strukturen.
Silisium blir materiale i elektroniske detektorer
Punktkontakt-enheter og krystalldetektorer viste likeretting lenge før dyrking av krystaller med høy renhet muliggjorde moderne halvlederteknikk.
Høyrent silisium baner vei for transistorer og praktisk anvendelige solceller
Rensing, kontroll av dopanter, dannelse av overganger og krystallvekst gjorde silisium til et stadig mer praktisk alternativ til germanium.
Overflatepassivering, plantarteknologi og MOS-enheter omformer produksjonen
En kontrollert grenseflate mellom silisium og oksid gjorde det mulig å beskytte overflater, forme enhetskonturer med fotolitografi og lage integrerte kretser med høy komponenttetthet.
Bruken av silisium utvides til fotovoltaikk, MEMS, fotonikk, metrologi og kvanteforskning
Den samme produksjonsplattformen brukes nå til energiomforming, mekaniske sensorer, optiske kretser, krystaller med kontrollert isotopsammensetning og enheter med nanometerdimensjoner.
Silisium ble et grunnleggende materiale, ikke fordi det er spesielt ledende i naturlig tilstand. Det fikk denne rollen fordi ledningsevnen, overflaten, geometrien og grenseflatene kan styres med enestående presisjon.
Vurdering, opprinnelse og relativ betydning
Det finnes ikke noe universelt system for å vurdere samlersilisium. Ulike vurderingsprioriteringer gjelder for en rå smelteblokk, en polysilisiumstav, en monokrystall til forskning, en produksjonswafer, en brikke med mønsterlagt krets, en tidlig solcelle, en historisk integrert krets og en sjelden naturlig korn.
Materialidentitet
Bekreft om objektet er elementært silisium, en legering, silisiumkarbid, belagt glass, en teknologisk bearbeidet halvleder eller et annet industrimateriale.
Krystallform
Dokumenter om prøven er monokrystallinsk, polykrystallinsk, dendrittisk, i form av en amorf film, porøs, sprukket, saget, polert eller avsatt.
Overflateintegritet
Kontroller avskalling langs kantene, spaltning langs kløvningsplan, riper, uklarheter, fingeravtrykk, oksidfarge, delaminering, korrosjon og skader på metalliseringslaget.
Teknologisk opprinnelse
Produsent, vekstmetode, produksjonssted, waferens krystallografiske orientering, dopant, elektrisk resistivitet, diameter, dato og tiltenkt bruk kan være viktigere enn et feilfritt utseende.
Historisk kontekst
Forskningsetiketter, generasjon av produksjonsteknologi, institusjon, enhetstype, kapsling og dokumentasjon kan bidra til å fastslå teknologisk betydning.
Naturlig opprinnelse
Påstander om naturlig silisium krever funnsted, vertsbergart, analytisk dokumentasjon og bevart opprinnelig matriks.
| Objekttype | Viktigste egenskaper | Hva du bør kontrollere |
|---|---|---|
| Metallurgisk silisiumstykke | Karakteristisk brudd, industriell opprinnelse, urenhetstekstur, størrelse og stabil overflate. | Om det er ublandet med ferrosilisium, om det finnes slagg, belegg, oksidasjon eller skarpe kanter, og om opprinnelsen er dokumentert. |
| Polykrystallinsk silisiumstav eller -granulat | Avsetningsmorfologi, renhetsdokumentasjon, produksjonsmetode og intakt struktur. | Forurensning, håndteringsmerker, brukket tråd, belegg og villedende påstander om naturlig krystall. |
| Enkrystallskive | Diameter, orientering, hakk, tykkelse, polering, dopant, resistivitet og vekstmetode. | Kantavskallinger, mikrosprekker, krumming, riper, forurensning, belegg og ukjent bearbeidingshistorikk. |
| Mønstret skive | Komponent- eller testmønster, produksjonskontekst, dato, brikkeoppsett, dokumentasjon og overflatens bevaringstilstand. | Korrodert metall, delaminerte filmer, rester av fotoresist, brukket kant og ufullstendige proveniensopplysninger. |
| Historisk brikke eller krets | Gjenkjennelig funksjon, produsent, dato, kapsling, institusjon og teknologisk kontekst. | Byttet kapsling, fjernede etiketter, forfalsket merking, brudd i forbindelser og manglende dokumentasjon. |
| Prøve av naturlig silisium | Naturlig matriks, nøyaktig funnsted, analytisk bekreftelse, målestokk og publiseringshistorikk. | Industriell forurensning, smelteverksmateriale, nedslagsrester, kunstig innstøping og udokumentert proveniens. |
Håndtering, oppbevaring, utstilling og sikkerhet på verkstedet
Massivt elementært silisium er kjemisk stabilt under vanlige innendørsforhold, men kantene er sprø, og bearbeidede overflater kan inneholde følsomme oksider, nitrider, metaller, polymerer eller komponentstrukturer. Håndteringen bør tilpasses hele objektet, ikke bare silisiumsubstratet.
Massive stykker
Oppbevar uregelmessige biter i polstrede holdere, beskytt dem mot fall, og hold skarpe bruddkanter unna nærliggende prøver og hender.
Ubelagte skiver
Hold i kanten med rene hansker eller egnet håndteringsverktøy for skiver. Unngå bøying, trykk på kantene, stabling uten mellomlegg og kontakt med slipende partikler.
Belagte skiver
Ikke gå ut fra at en fargerik overflate tåler vann, alkohol, løsemidler, rengjøringsmidler eller avtørking. Den synlige filmen kan være mykere og mindre stabil enn silisium.
Bearbeidede komponenter
Metallbaner, kontaktflater, polymerer og innkapslede kretser kan korrodere eller delaminere. Aktive elektroniske komponenter kan også trenge beskyttelse mot elektrostatisk utladning.
Støvkontroll
Ikke slip silisium tørt, skrubb det med sandpapir, bor i det eller knus det uten å ta forholdsregler. Bruk egnede våtmetoder eller lokalt avsug, og bruk passende øye- og åndedrettsvern.
Industrirest med ukjent opprinnelse
Bearbeidet materiale kan ha metallfilmer, dopemidler, rester, loddemetall, fotorest eller forurensning som ikke er synlig når man ser på forsiden.
| Fare | Mulig virkning | Forebyggende tiltak |
|---|---|---|
| Støt mot kanten | Avskalling, radielle sprekker, sprekkforplantning og skarpe fragmenter. | Bruk polstrede støtter, holdere som ikke berører kantene, og oppbevar dem adskilt. |
| Bøying av waferplaten | Plutselig fullstendig brudd som følge av lett bøying eller en eksisterende kantdefekt. | Løft med jevn støtte, og tving aldri waferplaten inn i en trang holder. |
| Slipende støv | Uopprettelige riper, uklarhet, tap av glans på polert overflate og skade på tynne filmer. | Fjern løse partikler med en ren blåsebelg eller en kontrollert kontaktfri metode før du tørker av. |
| Husholdningsløsemiddel eller rengjøringsmiddel | Hevelse i resist, tap av belegg, metallkorrosjon, rester og endret interferensfarge. | Ikke bruk vilkårlige kjemiske rengjøringsmetoder på bearbeidede overflater. |
| Temperaturgradient | Sprekkdannelse på grunn av spenninger, delaminering av filmer og skade på metallisering. | Unngå flammer, damp, kokeplater, sterke lamper og plutselige temperaturendringer. |
| Elektrostatisk utladning | Skade på aktive kretser som er i drift eller har historisk betydning. | Hvis enheten fortsatt er elektrisk aktiv eller ubeskyttet, bruk antistatiske tiltak når du håndterer den. |
| Tørrskjæring eller sliping | Skarpe partikler i luften og potensielt brennbart fint pulver. | Bruk støvkontrolltiltak som egner seg for profesjonelt arbeid, og unngå å bearbeide avfall med ukjente belegg. |
| Ustabil fastspenning | At waferplaten glir, kanttrykk, brudd og slitasje fra friksjon mot harde klemmer. | Bruk brede støtter av inerte materialer som ikke gir punktbelastning. |
Dokumentasjon og ansvarlig beskrivelse
En detaljert beskrivelse av en silisiumprøve angir separat grunnstoffsammensetning, renhetsgrad, krystallstruktur, industriell form, prosesshistorikk, belegg, enhetstilstand, naturlig opprinnelse og tilstand. Navnet «silisiumkrystall» alene kan skjule det meste av informasjonen som gir prøven mening.
Materialidentitet
Angi om dette er elementært silisium, ferrosilisium, silisiumkarbid, belagt silisium, et glassubstrat, polysilisium eller et annet godkjent materiale.
Krystallinitet
Dokumenter om strukturen er monokrystallinsk, multikrystallinsk, polykrystallinsk, amorf, porøs, dendrittisk eller ukjent.
Vekst- og rensemetode
Oppgi, hvis kjent, metallurgisk smelting, Siemens-prosess for deponering, produksjon av granulat i fluidisert sjikt, vekst med Czochralski- eller flytende sonemetoden, støping eller deponering av film.
Elektroniske egenskaper
Ta vare på opplysninger om krystallografisk orientering, dopemiddel, ledningstype, resistivitet, diameter, tykkelse, planhet, oksygeninnholdsklasse og tiltenkt bruk i komponenter.
Overflatelagenes struktur
Beskriv om overflaten er ubelagt, oksidert, nitridert, metallisert, dekket med fotoresist, passivert, mønstret eller etset, og om prøven er innkapslet.
Opprinnelse og tilstand
Ta vare på opplysninger om produsent, institusjon, prosjekt, dato, emballasje, tidligere bruk, avskalling langs kantene, riper, forurensning, reparasjoner og fotografier.
Moderne symbolikk og refleksjon
Moderne symbolske tolkninger av silisium kan bygge direkte på materialets faktiske egenskaper: en struktur med fire bindinger, kontrollerte dopemidler, selektiv ledningsevne, grenseflater mellom lag, presis mønsterdannelse og omdanning av rikelige mineralske råstoffer til en presis krystallinsk plattform. Disse temaene er moderne refleksjoner, ikke påstander om gamle silisiumtradisjoner.
Struktur først, kompleksitet etterpå
Et enormt elektronisk system begynner med gjentatte lokale bindinger: hvert atom er bundet til fire naboer på en forutsigbar måte.
Små tilsetninger, stor effekt
Svært små konsentrasjoner av dopemidler kan endre ledningsevnen med flere størrelsesordener, og minner oss om at nøye utvalgte bidrag betyr mer enn ukritisk overflod.
Grenseflater skaper funksjon
Grensen mellom silisium og et isolerende lag er ikke bare et skille: det er nettopp her kontrollerte kanaler og komponenter blir mulige.
Rensing gjennom utvelgelse
Renheten elektronikken krever oppnås ved gjentatt separasjon og måling, ikke gjennom én enkelt imponerende renseoperasjon.
Begrensninger definert av mønstre
En nyttig krets leder ikke strøm overalt. Den styrer strømmen gjennom målrettet utformede områder, barrierer og overganger.
Overflate og indre
Fargen på waferen kan skyldes en film som bare er noen få nanometer tykk, og minner oss om at utseendet på overflaten og strukturen under henger sammen, men ikke er det samme.
Oversikt over wafer og måne
- Velg ett system som virker komplisert fordi hver del regnes som like ledende.
- Fastslå den grunnleggende strukturen som må forbli stabil.
- Identifiser ett bidrag som skal økes, én urenhet som skal fjernes og én grense som skal styrkes.
- Definer hvor det bør være lett å bevege seg, og hvor motstand er nyttig.
- Velg én målbar handling som vil endre systemet uten å bygge det helt om.
- Vurder resultatet etter én full syklus, og endre bare én variabel om gangen.
Les videre i spesialiserte guider om silisium
Silisium kan utforskes gjennom krystallografien til elementært silisium, halvlederoptikk, geologi, industriell rensing, polykristallinsk struktur, teknologihistorie, moderne symbolikk og refleksjonspraksis.
Ofte stilte spørsmål
Er silisium et metall?
Silisium regnes vanligvis som en halvmetall. Overflaten ser metallisk ut, men det er en kovalent bundet halvleder med en ledningsevne som avhenger langt mer av temperatur og dopingstoffer enn i et vanlig metall.
Er silisium og silisiumdioksid det samme?
Nei. Silisium er grunnstoffet Si. Silisiumdioksid har formelen SiO₂; det omfatter kvarts, kristobalitt, tridymitt, opal, silisiumdioksidglass og høytrykksformer.
Er silisium og silikon det samme?
Nei. Silikoner er en familie av syntetiske polymerer med en hovedkjede av vekselvis silisium- og oksygenatomer, med organiske sidegrupper festet til kjeden. Silikongummi, -olje, -harpiks og -fugemasse er ikke elementært silisium.
Hvorfor er silisiumnugget så sjeldent?
Silisium danner sterke bindinger med oksygen og inngår lett i strukturer av silisiumdioksid og silikater. Det kreves uvanlig sterke reduserende forhold for at naturlig elementært silisium skal dannes, og forekomstene er vanligvis mikroskopiske.
Hvorfor ser en silisiumskive blå eller fiolett ut?
Fargen skyldes vanligvis interferens i en tynn oksid-, nitrid- eller fotoresistfilm, eller i en flerlagsfilm. Selve det ubestrøkne, polerte silisiumet er mørkegrått til nesten svart.
Hvorfor brukes silisium i databrikker?
Silisium har en passende båndgapbredde, et naturlig oksid av god kvalitet som også kan dannes termisk, god overflatepassivering, tilstrekkelig varmeledningsevne og mekanisk styrke. I tillegg finnes råvarene i rikelig mengde, renseteknologiene er modne, og produksjonsmetodene er svært velutviklede.
Hva er forskjellen på p-type og n-type silisium?
p-type silisium inneholder akseptorurenheter, som gjør hull til de viktigste ladningsbærerne. n-type silisium inneholder donorurenheter, som gjør elektroner til de viktigste ladningsbærerne.
Hva er et hull?
Et hull er en effektiv positiv ladningsbærer knyttet til fraværet av et elektron i en tilstand i valensbåndet. Det oppfører seg som om en positiv ladning beveger seg gjennom krystallen.
Hva er polysilisium?
Polysilisium er polykrystallinsk elementært silisium med høy renhet. Det avsettes vanligvis i form av stenger, biter eller granulat, og smeltes senere for å lage skiver eller solceller.
Hva er forskjellen på polykrystallinsk og monokrystallinsk silisium?
I monokrystallinsk silisium opprettholdes én krystallorientering gjennom hele det brukte volumet. Polykrystallinsk silisium består av mange korn som er atskilt av grenser, som påvirker brudd, fordelingen av urenheter og ladningsbærernes transport.
Hva er amorft silisium?
Amorft silisium har ikke langtrekkende krystallinsk orden og avsettes vanligvis som en tynn film. Hydrogen tilsettes ofte for å passivere ufullstendige bindinger og forbedre de elektroniske egenskapene.
Hva er silisium dyrket med Czochralski-metoden?
Dette er monokrystallinsk silisium som dyrkes ved langsomt å trekke og rotere en krystallkim ut av smeltet silisium i en digel av silisiumdioksid. Denne metoden brukes til å produsere de fleste vanlige, store halvlederskivene.
Hva er silisium fremstilt ved flytende sonerensing?
Silisium fremstilt ved flytende sonerensing renses og krystalliseres langs en silisiumstav ved at en smal smeltesone beveges langs staven, uten bruk av smeltedigel. Dette kan gi svært lavt oksygeninnhold og høy resistivitet.
Hvorfor slipper ikke silisium gjennom synlig lys, men egner seg til infrarød optikk?
Fotoner med synlig lys har vanligvis nok energi til å bli absorbert ved elektronoverganger i silisium. Infrarøde fotoner med lavere energi kan passere gjennom tilstrekkelig rent materiale innenfor et bestemt bølgelengdeområde, som avhenger av bruksområdet.
Er silisium naturlig elektrisk ledende?
Ved romtemperatur leder rent silisium strøm dårlig sammenlignet med et metall. Varme, lys, defekter og tilsiktet doping kan øke ledningsevnen betydelig.
Hvorfor øker ledningsevnen i silisium når det varmes opp?
Varme tilfører energi til flere elektroner, slik at de kan krysse båndgapet, og det dannes dermed flere elektron-hull-par. Økningen i antall ladningsbærere kan veie opp for reduksjonen i mobilitet som skyldes gittervibrasjoner.
Kan elementært silisium ripe opp glass?
En skarp silisiumkant kan ripe opp mange vanlige glasstyper, siden hardheten på Mohs-skalaen er omtrent 6,5–7. Det er unødvendig å teste hardheten til en produsert skive eller en dokumentert prøve, og en slik test skader dem irreversibelt.
Hvorfor brekker silisium så lett selv om det er hardt?
Hardhet beskriver motstand mot riper, ikke mot brudd. Silisiums gitter med retningsbestemte kovalente bindinger er stivt, men sprøtt, og tynne skiver er følsomme for kantdefekter og bøying.
Kan silisium rengjøres med vann?
Ubelagt, massivt silisium tåler kort kontakt med vann, men behandlede skiver kan inneholde filmer, metaller, polymerer eller rester som ikke tåler det. For en uidentifisert, behandlet prøve er tørr, berøringsfri rengjøring et tryggere førstevalg.
Kan jeg polere en ødelagt silisiumskive?
Polering fjerner den eksisterende overflaten og kan ødelegge fargen fra oksidet, enhetslag, opprinnelseskjennetegn og kantgeometrien. Det dannes også fint støv, så dette bør ikke gjøres lettvint.
Er silisiumkarbid en form for silisium?
Silisiumkarbid inneholder silisium, men er en egen forbindelse med formelen SiC. Det er hardere, tettere og mer varmebestandig, og de elektroniske egenskapene er annerledes enn hos elementært silisium.
Hva betyr hakket i waferen?
Et hakk lages under produksjonen for å gjøre det enklere å fastslå waferens orientering og håndtere den. Det hjelper automatisert utstyr med å orientere waferen og angir en referanse for krystallografisk retning.
Kan den nøyaktige filmtykkelsen bestemmes ut fra oksidfargen?
Ved kontrollert belysning kan fargen gi en omtrentlig indikasjon på tykkelsen. For å fastslå den nøyaktig kreves imidlertid en kalibrert optisk måling, ettersom fargen også avhenger av vinkel, underlag, brytningsindeks og flere lag.
Hva bør stå på prøvemerket?
Oppgi grunnstoff, renhet eller kvalitetsklasse, monokrystallinsk eller polykrystallinsk form, vekstmetode, waferorientering, dopstoff og resistivitet hvis kjent, belegg, produsent, dato, tidligere bruk og tilstand.
Avsluttende refleksjoner
Grunnlaget for silisiums struktur er en enkel lokal regel: Hvert atom danner fire retningsbestemte bindinger. Når denne regelen gjentas gjennom hele krystallen, dannes et gitter som er stivt nok til å danne grunnlaget for presisjonsinstrumenter, men også sprøtt nok til å sprekke fra en skadet kant. De samme bindingene gir et indirekte båndgap, middels varmeledningsevne, høy brytningsindeks i det infrarøde spekteret og en overflate der et oksidlag kan dannes med svært nøyaktig kontroll.
I geologiske omgivelser finnes silisium sjelden i fri form. Det binder seg til oksygen og danner tetraedre, som igjen forbindes til isolerte grupper, ringer, kjeder, lag og nettverk. Slik blir silisium en bestanddel av mineraler i mantelen, vulkansk glass, granitt, leire, jord, sand, kiselalgeskall, betong, porselen og vindusglass.
Industriell bearbeiding snur denne naturlige tilbøyeligheten til å oksidere. Kvarts reduseres, silisium renses ved hjelp av flyktige forbindelser, felles ut som polykrystallinsk silisium, dyrkes til en krystall med kontrollerte egenskaper og skjæres i wafere. Deretter formes mønstre i waferne gjennom gjentatte sykluser med tilføring og fjerning av materiale. Svært små mengder dopstoff endrer de elektriske egenskapene; filmer med nanometertykkelse endrer farge og grenseflater; mikroskopiske defekter avgjør om en enhet fungerer eller svikter.
Derfor kombinerer en helhetlig forståelse av silisium mineralogi, krystallografi, termodynamikk, faststoffysikk, optikk, metallurgi, kjemi, produksjon, elektronikk, energi, bevaring og teknologihistorie. Det som gjør silisium unikt, er verken naturlig elektrisk ledningsevne eller et imponerende utseende. Det unike er at et grunnstoff som finnes i stor utbredelse i bergarter, kan renses og få struktur og mønstre som formes helt til selve materialet blir programmerbart.