Silício policristalino
Linas JuozėnasPartilhar
Silício policristalino
O silício policristalino é um material cristalino de silício composto por muitos cristais de silício distintos, chamados grãos. Em cada grão, os átomos dispõem-se numa rede cúbica do tipo diamante ordenada, mas as redes dos grãos adjacentes estão rodadas em ângulos diferentes. Onde se encontram, formam-se fronteiras entre grãos. É esta estrutura policristalina que distingue o silício policristalino do monocristalino e lhe confere uma superfície característica, semelhante a um mosaico. Este material tornou-se uma das ligações intermédias mais importantes entre a matéria-prima de quartzo, as células solares, a microeletrónica e os cristais de silício de pureza ultraelevada.
Quimicamente, é o mesmo silício, mas, em vez de uma única orientação cristalina contínua, contém milhares ou milhões de regiões cristalinas mais pequenas
O silício cristalino puro é constituído por átomos de silício ligados numa rede tridimensional extremamente ordenada. Num grão cristalino, esta ordem mantém a mesma orientação.
Um material policristalino contém muitos desses grãos. Um pode estar rodado alguns graus, enquanto outro pode estar orientado numa direção completamente diferente. No interior de cada grão, a rede mantém-se ordenada, mas, à medida que se aproxima da extremidade, as filas de átomos deixam de poder continuar de forma totalmente regular.
A região onde se encontram chama-se fronteira entre grãos. Aí, o ambiente local de alguns átomos é ligeiramente diferente, pelo que estas regiões podem acumular defeitos da estrutura cristalina, impurezas e estados eletrónicos.
À primeira vista, esta diferença pode parecer pequena, mas é muito importante na eletrónica: numa rede cristalina quase perfeita, os eletrões e as lacunas movem-se de forma diferente do que num material atravessado por inúmeras fronteiras entre grãos.
O essencial do silício policristalino: cada grão individual é um cristal, mas o material na sua totalidade não é um único cristal. É uma comunidade de muitos cristais.
Grão cristalino
Pequena região de silício na qual os átomos mantêm uma única orientação cristalográfica comum.
Fronteira entre grãos
Região onde se encontram duas redes cristalinas com orientações diferentes.
Conjunto policristalino
Muitos grãos crescem juntos mecanicamente e formam uma única peça contínua de silício.
Semicondutor cinzento, brilhante e frágil, cujas propriedades elétricas são muito influenciadas pela pureza, pelas impurezas e pelo tamanho dos grãos cristalinos
| Símbolo químico | Si |
|---|---|
| Tipo de material | Semicondutor elementar policristalino |
| Número atómico | 14 |
| Estrutura cristalina no interior do grão | Estrutura cúbica do tipo diamante |
| Dureza | Aproximadamente 6,5–7 na escala de Mohs |
| Densidade | Cerca de 2,33 g/cm³ |
| Temperatura de fusão | Cerca de 1414 °C |
| Cor | Cinza-escuro, cinzento-prateado, cinzento-azulado ou quase preto |
| Brilho | De metálico a semimetálico |
| Propriedades mecânicas | Duro, mas frágil |
| Tipo eletrónico | Semicondutor |
| Largura do intervalo de energia proibida | Cerca de 1,12 eV à temperatura ambiente |
| Condutividade elétrica | Depende muito da temperatura, da pureza e da dopagem controlada |
| Principal diferença estrutural | Muitos cristais com orientações diferentes, separados por limites de grão |
Cada átomo de silício liga-se a quatro átomos vizinhos, formando uma rede tetraédrica semelhante à estrutura do diamante
Ordem que se repete nas três dimensões
No silício cristalino, cada átomo tem quatro átomos de silício vizinhos mais próximos. As ligações covalentes formam uma rede tridimensional tetraédrica, que determina tanto a geometria do cristal como as suas propriedades semicondutoras.
Quatro ligações
Cada átomo de silício tem quatro eletrões de valência e forma quatro ligações covalentes fortes no cristal.
Geometria tetraédrica
Os átomos vizinhos estão dispostos nas direções de um tetraedro, pelo que a rede não é uma simples malha cúbica.
Estrutura do diamante
O tipo de rede do silício é, essencialmente, igual ao do diamante, embora os átomos de silício sejam maiores e as ligações mais fracas do que no cristal de carbono.
Estados eletrónicos
A disposição periódica dos átomos origina as bandas de energia de valência e de condução.
Intervalo de energia proibida dos semicondutores
Entre as bandas de valência e de condução existe um intervalo de energia proibida, pelo que o silício não é nem um metal bom condutor nem um isolador comum.
Efeito da temperatura
O calor pode fornecer aos eletrões energia suficiente para passarem para a banda de condução e aumentarem a condutividade elétrica.
No silício policristalino, a mesma rede cúbica do tipo diamante repete-se em cada grão. O que difere não é a disposição local dos átomos, mas a orientação do grão no espaço.
A superfície de silício policristalino, semelhante a um mosaico, é composta por domínios cristalinos distintos que refletem a luz de forma diferente devido às suas várias orientações
Uma superfície, muitos ângulos cristalográficos
Os átomos à superfície de cada grão têm orientações ligeiramente diferentes em relação às direções da luz incidente, do ataque químico e do processamento mecânico. Por isso, as regiões adjacentes podem parecer mais claras, mais escuras ou mais azuladas.
No interior do grão
Aqui, a disposição dos átomos é bastante regular e assemelha-se muito à estrutura de um monocristal.
Limite
Onde se encontram duas regiões com orientações diferentes, nem todas as ligações atómicas podem prolongar-se numa sequência perfeitamente periódica.
Defeitos do cristal
Nos limites pode haver ligações distorcidas, deslocações e outros defeitos da rede.
Acumulação de impurezas
Para alguns átomos estranhos, é energeticamente mais favorável acumularem-se nos limites dos grãos do que no interior da rede perfeita.
Recombinação dos portadores de carga
Nos limites, os eletrões e as lacunas podem recombinar-se mais facilmente, reduzindo assim o seu tempo de vida útil.
Tamanho dos grãos
Quanto maiores forem os grãos, menos limites existem no mesmo volume de material.
Os limites dos grãos não são apenas linhas visíveis. São interfaces reais entre regiões cristalinas, capazes de alterar o transporte de carga, a resposta mecânica e a distribuição das impurezas.
Para obter, a partir do dióxido de silício, um material com a pureza adequada para a eletrónica, não basta fundir o silício: é também necessário remover quase todas as impurezas indesejadas
Matéria-prima de dióxido de silício
O processo de produção industrial começa normalmente com quartzo ou outro material com um teor muito elevado de dióxido de silício.
Redução com carbono
A alta temperatura, o oxigénio é removido e obtém-se silício elementar de pureza metalúrgica.
O silício é convertido em compostos voláteis
Para que o silício possa ser purificado com extrema precisão, é convertido quimicamente em compostos que podem ser destilados.
Os compostos são purificados
A destilação separa as substâncias cujo ponto de ebulição e propriedades químicas diferem dos do composto de silício pretendido.
Deposita-se silício puro
A alta temperatura, um composto gasoso que contém silício decompõe-se e o silício elementar deposita-se sobre um substrato aquecido.
Obtém-se polisilício
Obtém-se um material de silício policristalino de elevada pureza, que pode depois ser fundido e utilizado para fazer crescer outras formas cristalinas.
Na indústria, o termo polisilício refere-se frequentemente a silício policristalino de elevada pureza, matéria-prima a partir da qual é possível fazer crescer monocristais ou fundir lingotes multicristalinos.
À medida que o silício fundido arrefece, formam-se núcleos de cristais simultaneamente em muitos pontos, que crescem até se tocarem
O silício é fundido
Acima da temperatura de fusão, a ordem cristalina de longo alcance desaparece e os átomos movem-se no material fundido.
A temperatura começa a descer
À medida que o material fundido arrefece, criam-se condições para que os átomos voltem a ligar-se numa rede cristalina cúbica do tipo diamante.
Formam-se muitos núcleos
Começam a crescer cristais de silício distintos em vários pontos do material fundido.
Os cristais crescem
Cada núcleo cresce segundo a sua própria orientação cristalográfica, incorporando cada vez mais átomos de silício.
Os grãos tocam-se
As frentes de crescimento dos cristais encontram-se e deixam de poder continuar a formar as suas redes sem um compromisso estrutural.
Formam-se limites entre os grãos
Todo o material solidifica num único bloco contínuo, mas no seu interior mantêm-se muitas orientações cristalográficas diferentes.
Se todo o material fundido fosse levado a cristalizar a partir de uma única semente cristalina com a orientação adequada, sem se formarem sementes adicionais, seria possível obter um monocristal. Um policristal forma-se quando muitos centros de cristalização crescem simultaneamente.
O silício policristalino ajudou a transformar a tecnologia fotovoltaica num sistema de produção de energia em grande escala
Da luz ao circuito elétrico
Um fotão da luz solar pode transferir energia para um eletrão do silício e excitá-lo para a banda de condução. Uma região de campo elétrico adequadamente formada separa o eletrão da lacuna restante e encaminha a carga para o circuito externo.
Absorção de fotões
A luz com energia suficiente pode criar um eletrão móvel e um portador de carga positivo, a lacuna.
Silício do tipo p e do tipo n
Ao introduzir quantidades controladas de diferentes impurezas dopantes, é possível criar regiões com concentrações distintas de portadores de carga.
Junção p–n
O campo elétrico formado na junção entre duas regiões ajuda a separar os portadores de carga gerados pela luz.
Perdas nos limites dos grãos
Parte dos eletrões e das lacunas pode recombinar-se nos limites dos grãos antes de chegar aos elétrodos.
Grãos grandes
Grãos cristalinos maiores reduzem o número de limites e, em geral, ajudam a manter melhores propriedades eletrónicas.
Superfície azul
O revestimento antirreflexo da superfície intensifica a cor azul característica de muitas células solares policristalinas clássicas.
Uma célula solar policristalina não é «menos cristalina» do que uma monocristalina. Contém muitos cristais verdadeiros, simplesmente com orientações diferentes e mais limites entre eles.
As camadas finas de silício policristalino permitem criar transístores em locais onde não é necessário silício monocristalino maciço
Transístores de película fina
O silício policristalino pode ser utilizado em transístores de película fina de ecrãs e de outras estruturas eletrónicas.
Portas de circuitos integrados
Antigamente, o silício policristalino fortemente dopado era amplamente utilizado como material para os elétrodos de porta dos transístores MOS.
Resistências
Controlando a combinação da estrutura dos grãos, da dopagem e da geometria da camada, é possível formar resistências elétricas.
Sistemas micromecânicos
As camadas de silício policristalino podem formar vigas microscópicas, membranas e estruturas móveis.
Sensores
Devido às suas propriedades mecânicas e elétricas, o silício policristalino pode ser usado em microsensores de pressão, movimento e outros parâmetros.
Dopagem controlada
A quantidade de boro, fósforo ou outras impurezas dopantes adequadas pode alterar a concentração de portadores de carga livres em várias ordens de grandeza.
Na eletrónica, a palavra silício policristalino refere-se muitas vezes não a um grande pedaço brilhante de silício, mas a uma camada muito fina de silício policristalino integrada numa estrutura complexa de microchip.
Em ambos os materiais, os átomos ligam-se da mesma forma; no entanto, num deles a rede cristalina prolonga-se sem quase mudar de direção, enquanto no outro está dividida em muitas regiões cristalinas
Monocristal
A orientação cristalográfica é a mesma em quase todo o lingote.
Policristal
O lingote é composto por muitas regiões com diferentes orientações cristalográficas.
Fronteiras de grão
Num monocristal, quase não existem, enquanto num policristal formam uma extensa rede interna.
Transporte de eletrões
A ordem mais perfeita de um monocristal permite geralmente que os portadores de carga se movam encontrando menos obstáculos estruturais.
Método de crescimento
Para produzir um monocristal, é necessário controlar o crescimento de um único cristal, enquanto um material policristalino pode solidificar a partir de muitos núcleos de cristalização.
Aspeto
Na superfície dos materiais policristalinos, é frequente ver-se um padrão em mosaico formado por grãos distintos.
O silício monocristalino e o policristalino não são duas substâncias químicas diferentes. Ambos podem ser constituídos por silício elementar quase puro - o que difere é a escala da sua ordem cristalina.
O elemento cujos compostos constituem uma grande parte do mundo das rochas tornou-se também um dos alicerces mais importantes da civilização digital
Na natureza, o silício quase nunca se encontra sob a forma de grandes cristais do elemento puro, porque se liga muito facilmente ao oxigénio. No quartzo, nos feldspatos e numa infinidade de minerais silicatados, encontra-se no estado oxidado.
A história industrial do silício começou com a aprendizagem de como separá-lo do oxigénio e de outros elementos; mais tarde, foram desenvolvidos métodos cada vez mais avançados para o purificar.
A revolução da eletrónica exigia não apenas silício, mas silício extremamente puro, com uma estrutura cristalina controlada. Mesmo quantidades muito pequenas de elementos indesejados podem alterar significativamente as propriedades elétricas de um semicondutor.
A produção de silício policristalino tornou-se um elo entre a química das matérias-primas e a engenharia de cristais. A partir de silício policristalino purificado e fundido, podem formar-se lingotes para células solares ou cultivarem-se grandes monocristais destinados à microeletrónica.
Assim, um dos elementos mais abundantes da crosta terrestre tornou-se um material cujo valor depende menos da abundância do que do controlo extraordinariamente preciso da estrutura e da pureza.
O silício adquiriu valor tecnológico quando as pessoas aprenderam não só a extraí-lo, mas também a controlar quase todos os aspetos do seu cristal - desde as impurezas até à orientação dos átomos.
A cidade dos muitos cristais
No silício fundido, nasceram vários pequenos cristais quase ao mesmo tempo.
Cada um começou a crescer numa direção diferente.
«Se não estivermos todos orientados da mesma forma, nunca nos tornaremos um só corpo», disse o primeiro cristal.
No entanto, a temperatura continuou a baixar e os cristais continuaram a crescer.
Por fim, as suas extremidades encontraram-se.
As suas redes não coincidiam na perfeição. Entre elas surgiu uma fronteira.
«Vês? - disse o primeiro. - Continuamos a ser diferentes.»
«Sim, - respondeu o segundo. - Mas agora a nossa fronteira não é um espaço vazio. Tornou-se um lugar onde nos unimos.»
Quando toda a massa fundida solidificou, não havia um único cristal perfeito. Havia milhões - e, em conjunto, tornaram-se um único material funcional.
Não se trata de uma lenda antiga. É uma narrativa criativa, inspirada no crescimento real dos grãos no silício policristalino.
A unidade de muitas direções, a capacidade de manter uma estrutura própria e, ao mesmo tempo, criar um sistema maior que funciona graças a todas as suas partes
Na linguagem simbólica contemporânea, o silício policristalino pode ser associado à colaboração, à criação de sistemas complexos, à integração de diferentes competências e à compreensão de que unidade não significa necessariamente uniformidade. Trata-se de uma interpretação criativa, não de um efeito cientificamente comprovado nas pessoas.
Grão individual
Cada parte da vida de uma pessoa pode ter a sua própria direção e, ainda assim, fazer parte de um todo maior.
Fronteira entre grãos
A diferença entre duas pessoas ou ideias pode tornar-se não só uma fonte de conflito, mas também o próprio ponto de encontro entre elas.
Cristalização
A ordem pode surgir simultaneamente em muitos pontos e, mais tarde, unir-se num único sistema.
Semicondutor
A capacidade de controlar quando a energia flui e quando o seu fluxo para pode simbolizar limites definidos conscientemente e uma ação deliberada.
Célula solar
A energia recebida do exterior não pode apenas ser absorvida, também pode ser transformada em trabalho útil.
Todo em mosaico
Um sistema complexo não tem de ocultar as suas diferentes partes - por vezes, são precisamente elas que criam a sua estrutura mais interessante.
Ritual de estrutura comum
Esta prática simbólica simples destina-se a situações em que tem várias tarefas, competências ou pessoas diferentes e quer perceber como as pode reunir num sistema funcional, sem obrigar todas as partes a tornarem-se iguais.
O que vai precisar
- uma amostra de silício policristalino;
- uma folha de papel;
- uma caneta;
- de um sistema ou projeto que gostaria de organizar de forma mais eficaz.
Grãos
Desenhe numa folha várias áreas distintas e escreva em cada uma uma parte do projeto, uma pessoa, uma competência ou uma responsabilidade.
Direções
Junto a cada parte, assinale o que faz melhor e que direção não deve ser forçada a mudar.
Fronteiras
Entre as áreas adjacentes, escreva que informações, recursos ou decisões têm de passar de uma para a outra.
Locais dos defeitos
Assinale uma interface onde se perde atualmente mais tempo, energia ou clareza.
Ligação mais forte
Escolha uma pequena mudança que melhore a interação nesta fronteira específica: uma regra mais clara, uma melhor transmissão de informação ou um processo mais simples.
Palavras a repetir
Coloque o silício policristalino no centro do diagrama e diga três vezes:
Preservo cada direção e reforço cada ligação,
A partir de muitas partes separadas, crio um todo funcional que as transcende.
Conclusão
Diga: «A unidade não exige uniformidade. Cada parte pode manter a sua direção, e eu reforço os pontos onde se encontram.»
Perguntas frequentes sobre o silício policristalino
O que é o silício policristalino?
Qual é a sua fórmula química?
Em que difere o silício policristalino do silício monocristalino?
O que é um limite entre grãos?
Cada grão de silício policristalino é um cristal verdadeiro?
Qual é a dureza do silício?
Qual é a sua densidade?
Porque é que o silício policristalino parece um mosaico?
O que é o polisilício?
O silício policristalino é utilizado em células solares?
Porque são importantes os limites entre grãos nas células solares?
O polisilício é utilizado em microeletrónica?
O que simboliza o silício policristalino na imaginação contemporânea?
O silício policristalino mostra que é possível criar uma estrutura funcional não eliminando as diferenças, mas organizando cuidadosamente os locais onde se encontram direções distintas
A sua história começa com o mesmo átomo de silício, que na natureza se encontra sobretudo no quartzo e nos minerais silicatados.
Ao arrefecer, o silício purificado e fundido começa a cristalizar em muitos pontos ao mesmo tempo.
Cada cristal cresce na sua própria direção e, ao encontrarem-se, formam limites entre grãos e, juntos, tornam-se um único corpo policristalino sólido.
No mundo da tecnologia, este material liga a química, a física dos cristais, a energia solar e a microeletrónica. Em linguagem simbólica, pode recordar-nos que uma totalidade complexa não precisa necessariamente de seguir uma única direção – por vezes, a sua força revela-se porque muitos cristais diferentes aprendem a existir num só corpo.