Silicis
Linas JuozėnasDel
Silisium
Silisium er et kjemisk grunnstoff som betegnes med symbolet Si og har atomnummer 14. I naturen finnes det nesten aldri i ren form, fordi det lett binder seg til oksygen og andre grunnstoffer. Derfor finner vi oftest silisium i kvarts, feltspat, glimmer, leirmineraler og en mengde andre silikater. Når det renses til en usedvanlig høy renhetsgrad og dyrkes til en hel krystall, blir det en kontrollerbar halvleder som brukes til å lage mikrobrikker, sensorer og solceller.
Et grunnstoff med fire bindinger, som kan bli et bergartsrammeverk eller en nøyaktig kontrollert vei for elektroner
Et silisiumatom har fire valenselektroner. Det gjør at det kan danne fire sterke kovalente bindinger med naboatomer.
I rent krystallinsk silisium binder hvert atom seg til fire andre silisiumatomer og danner et tredimensjonalt gitter av diamanttypen.
I naturen binder silisium seg oftest til oksygen. Tetraedre av silisium og oksygen kan være enkeltstående eller bundet sammen til kjeder, ringer, lag eller sammenhengende rammeverk.
Silisiums essens: De samme fire mulige bindingene gjør at det kan danne både et enormt mangfold av silikater i jordskorpen og en ordnet halvlederkrystall i elektronikken.
Fire valenselektroner
De gjør det mulig for silisium å danne et sterkt nettverk med fire bindinger.
Metalloidets plassering
Silisium har egenskaper som kjennetegner både metaller og ikke-metaller, og inntar derfor en mellomstilling.
Kontrollert ledningsevne
Rent silisium leder strøm begrenset, men den elektriske oppførselen kan endres svært nøyaktig med små mengder urenheter.
En hard, sprø og gråglinsende krystall hvis ledningsevne avhenger av temperatur, lys og urenheter
| Kjemisk symbol | Si |
|---|---|
| Atomnummer | 14 |
| Elementklasse | Metalloid |
| Krystallstruktur | Diamantkubisk gitter |
| Hardhet | Omtrent 6,5–7 på Mohs-skalaen |
| Tetthet | Omtrent 2,33 g/cm³ |
| Smeltepunkt | Omtrent 1414 °C |
| Kokepunkt | Omtrent 3265 °C |
| Glans | Metallisk eller halvmetallisk |
| Farge | Mørkegrå, stålgrå eller blågrå |
| Brudd | Skjellaktig; materialet er sprøtt |
| Elektronisk egenskap | Halvleder med et forbudt båndgap på omtrent 1,12 eV ved romtemperatur |
| Endring i ledningsevne | Øker når temperaturen stiger, ved lyspåvirkning eller når egnede urenheter tilsettes |
Et av planetens viktigste byggematerialer, men nesten alltid skjult i forbindelser
Kvarts
Silisiumdioksid SiO₂ danner kvarts, ametyst, citrin, bergkrystall og mange andre kvartsvarianter.
Feltspater
Rammer av silisium, aluminium, oksygen og metaller danner en av de største mineralgruppene i jordskorpen.
Glimmer
Silikatlagene gjør at disse mineralene lett spaltes i tynne plater.
Leirmineraler
Når silikater forvitrer, dannes svært fine bladformede partikler som er viktige for jord og sedimenter.
Pyroksener og amfiboler
Silikatkjeden deres er viktige for magmatiske og metamorfe bergarter.
Naturlig silisium
Fritt elementært silisium er svært sjeldent i naturen fordi det lett reagerer og blir til oksider eller silikater.
Mye av jordskorpens mineralarkitektur kan forstås ved å se på hvordan silisium- og oksygentetraedre forbindes til stadig mer komplekse former.
Fra silisiumdioksid i bergarten til et ultrarent materiale der nesten hver eneste urenhet kontrolleres
Silisiumdioksid velges ut
Produksjonen bruker kvarts eller svært ren kvartssand.
Silisiumdioksid reduseres
Ved høy temperatur i en elektrisk ovn fjernes oksygen ved hjelp av et karbonholdig materiale.
Metallurgisk silisium fremstilles
Det dannes en grå masse av elementært silisium, som fortsatt inneholder for mange urenheter for følsom elektronikk.
Silisium omdannes til en flyktig forbindelse
En kjemisk mellomforbindelse kan destilleres og skilles fra mange forurensninger.
Ultrarent silisium avsettes
Et svært rent polykristallinsk materiale fremstilles fra en renset gassforbindelse.
Materialet klargjøres for krystallvekst
Silisium smeltes i et kontrollert miljø og brukes til å danne enkrystallinske eller polykristallinske emner.
Kvarts i naturen kan være nesten gjennomsiktig, men elektronikk krever mer enn bare et vakkert råmateriale. Det trengs en slik renhet at selv en svært liten mengde av et uønsket grunnstoff ikke lenger forstyrrer den elektriske virkemåten.
En enorm krystall dyrkes slik at milliarder av atomer følger én felles gitterretning
Fra smelte til skive
En enkrystallinsk sylinder skjæres opp i svært tynne, runde skiver som kalles silisiumskiver. Senere bygges transistorer, lederbaner og andre elektroniske strukturer på dem.
Krystallkim
En liten, nøyaktig orientert silisiumkrystall berører overflaten av det smeltede materialet.
Langsom trekking
Kimen roteres og løftes, mens atomene som slutter seg til den, viderefører det samme krystallgitteret.
Enkrystallinsk sylinder
Ved riktig kontroll av temperaturen og trekkhastigheten vokser det frem en lang krystall med ensartet orientering.
Skjæring av skiver
Sylinderen skjæres opp i tynne skiver, hvis overflate jevnes ut og poleres.
Krystallografisk retning
Platens orientering velges ut fra det fremtidige apparatets produksjonsmessige og elektriske egenskaper.
Polykrystallinsk silisium
Når et materiale består av mange krystallkorn med ulik orientering, kalles det polykrystallinsk.
Ledningsevnen kan styres tilstrekkelig, råstoffet er rikelig, og på overflaten kan man danne et stabilt, isolerende oksidlag
Halvlederegenskaper
Silisium er verken en god metallisk leder eller en fullstendig isolator, så elektronbevegelsen kan styres.
n-type silisium
Urenheter med et ekstra valenselektron øker antallet frie elektroner.
p-type silisium
Urenheter med ett færre valenselektron skaper steder med elektronmangel, kalt hull.
Transistorer
Et elektrisk felt styrer om strømmen går gjennom en mikroskopisk silisiumkanal.
Solceller
Lys skaper bevegelige ladningsbærere i silisiumet, som et indre elektrisk felt leder inn i en elektrisk krets.
Silisiumdioksidlag
På overflaten av silisium kan man dyrke et robust, isolerende SiO₂-lag som er svært viktig i produksjonen av mikrokretser.
Silisium ble grunnlaget for teknologi, ikke fordi det er perfekt på ett område, men fordi dets elektriske, kjemiske, termiske og produksjonsmessige egenskaper fungerer usedvanlig godt sammen.
Tre ord som ligner på hverandre i uttale, betegner helt forskjellige materialer
Silisium
Grunnstoffet Si. Rent krystallinsk silisium er et mørkegrått metalloid og en halvleder.
Silisiumdioksid
Forbindelsen SiO₂. Den danner kvarts og er en viktig bestanddel av mange typer sand, glass og bergarter.
Silikater
En enorm mineralgruppe der enheter av silisium og oksygen bindes sammen med aluminium, magnesium, jern, kalsium og andre grunnstoffer.
Silikon
En familie av syntetiske polymerer der silisium- og oksygenatomer veksler i hovedkjeden.
Glass
Vanligvis et amorft materiale av silisiumdioksid og andre oksider, uten langtrekkende krystallinsk orden.
Silisiumkarbid
En forbindelse av silisium og karbon med formelen SiC, som kjennetegnes av høy hardhet og varmebestandighet.
Silisium er ikke det samme som silikon. Det ene er et grunnstoff og en halvleder, det andre er et polymermateriale basert på silisium, oksygen og organiske grupper.
Grunnstoffet ble isolert fra materialer mennesker hadde brukt i tusenvis av år, men lenge kjente de ikke deres egentlige kjemiske natur
Navnet silisium er knyttet til det latinske ordet silex, som betydde flint eller en hard, silisiumrik stein.
Mennesker har brukt flint, kvartssand, leire, keramikk og glass siden oldtiden, men grunnstoffet silisium var kjemisk bundet i disse materialene.
På begynnelsen av 1800-tallet forsto man at silisiumdioksid inneholdt et hittil uisolert grunnstoff. I 1824 fremstilte Jöns Jacob Berzelius relativt rent amorft silisium.
Senere ble egenskapene til krystallinsk silisium stadig viktigere for elektroteknikken, og på 1900-tallet ble det hovedmaterialet i transistorer og integrerte kretser.
Silisiums historie har en uvanlig utvikling: Først skjulte det seg i steinen, senere ble det skilt ut i laboratoriet, og til slutt ble det selv materialet der menneskeheten begynte å lagre og behandle informasjon.
Krystallen som lærte å beregne
I fjellets bergart bodde silisiumet. Det holdt sammen kvartsens gitter, feltspatens struktur og glimmerets flak, men ingen så det alene.
En dag frigjorde menneskene det fra oksygenbindingene, renset det og smeltet det.
«Hva skal jeg bli?» spurte silisiumet.
«Lær først å stille alle atomene dine opp i én retning», svarte krystallkimen.
Silisium vokste sakte til det ble en enhetlig krystall. Da ble bare noen få fremmede atomer sluppet inn i gitteret.
På ett sted oppsto et ekstra elektron, og et annet sted oppsto en ledig plass det kunne bevege seg til. Et kontrollert signal begynte å flyte mellom dem.
Slik lærte grunnstoffet, som hadde bygget steiner i milliarder av år, å beregne, huske og overføre tanker skapt av mennesker.
Dette er ikke en gammel legende. Det er en kreativ fortelling inspirert av det virkelige silisiumgitteret, urenhetsledning og mikrokretsers virkemåte.
Struktur, presise forbindelser og evnen til å skape et fungerende system av mange små enheter
I moderne symbolsk språk kan silisium knyttes til logikk, læring, informasjonsbehandling, systemutvikling og bevisst utforming av forbindelser. Dette er en kreativ tolkning, ikke en vitenskapelig bekreftet virkning på mennesker.
Fire forbindelser
Et element kan bli stabilt ikke ved å stå alene, men ved å være nøyaktig forbundet med omgivelsene.
Krystallinsk orden
Små regler som gjentas konsekvent, kan skape en stor og pålitelig struktur.
Betydningen av urenheter
Et lite nytt element kan noen ganger ikke bryte ned systemet, men gi det en helt ny funksjon.
Halvledertilstand
Ikke alt må være helt åpent eller helt lukket – verdien kan ligge i en kontrollert overgang.
Signal
Informasjon blir meningsfull først når den har en vei, en retning og en tydelig tilstand.
Fra stein til tanke
Det samme materialet kan ha en helt annen rolle når kvaliteten på renheten, strukturen og organiseringen endres.
Ritualet for en tydelig system
Denne tørre, symbolske praksisen er ment for et arbeid eller prosjekt med mange separate detaljer, men uten en tydelig fungerende struktur ennå.
Dette trenger du
- én silisiumprøve;
- ark;
- penn;
- én kompleks oppgave eller ett prosjekt.
Fire hovedforbindelser
Skriv ned de fire viktigste delene av prosjektet som systemet ikke kunne fungere uten.
Gitterregel
Skriv én tydelig regel ved hver del som angir hvordan den skal fungere.
Signalvei
Tegn hvordan informasjon, en beslutning eller et materiale beveger seg fra én del til en annen.
Nyttig urenhet
Nevn én liten endring som kan gi systemet en ny funksjon eller fjerne den største hindringen.
Besvergelse
Plasser silisium i midten av arket og si tre ganger:
Jeg ser forbindelsene, skaper orden,
jeg kobler systemet sammen i små enheter.
Avslutning
Si: «Jeg trenger ikke å bygge alt på én gang. Det er nok å koble sammen den neste viktigste delen på riktig måte.»
Vanlige spørsmål om silisium
Hva er silisium?
Er silisium et metall?
Er silisium et mineral?
Hvilken krystallstruktur har silisium?
Hvor hardt er silisium?
Hvorfor er silisium en halvleder?
Hva er n-type- og p-type-silisium?
Er silisium og silisiumdioksid det samme?
Er silisium og silikon det samme?
Hva symboliserer silisium i den moderne forestillingsverdenen?
Silisium viser hvordan den samme atomære egenskapen kan bygge fjell, gjennomsiktig kvarts, solceller og mikroskopiske logiske porter
I naturen finnes silisium nesten alltid i forbindelser med oksygen og andre grunnstoffer, og danner et enormt mangfold av silikatmineraler.
I industrien frigjøres det fra silisiumdioksid, renses og dyrkes til ordnede monokrystaller.
Når en svært liten mengde egnede urenheter tilføres, oppstår ekstra elektroner eller hull i gitteret, og det elektriske signalet blir kontrollerbart.
I kjemien er silisium det fjortende grunnstoffet. I symbolsk språk kan det minne oss om at komplekse systemer ikke nødvendigvis oppstår gjennom én stor løsning – de oppstår når mange små forbindelser ordnes så presist at de begynner å fungere som én tanke.