Silício policristalino
Linas JuozenasPartilhar
Polikristalinis silicis
Polikristalinis silicis – tai kristalinio silicio medžiaga, sudaryta iš daugybės atskirų silicio kristalų, vadinamų grūdeliais. Kiekviename grūdelyje atomai išsidėstę tvarkinga deimantine gardele, tačiau gretimų grūdelių gardelės pasuktos skirtingais kampais. Jų susitikimo vietose susidaro grūdelių ribos. Būtent ši daugiakristalė struktūra išskiria polikristalinį silicį iš monokristalinio silicio ir suteikia jam būdingą mozaikinį paviršių. Ši medžiaga tapo vienu svarbiausių tarpinių etapų tarp kvarco žaliavos, saulės elementų, mikroelektronikos ir itin grynų silicio kristalų.
Chemiškai tai tas pats silicis, tačiau vietoje vienos nenutrūkstančios kristalinės orientacijos jame egzistuoja tūkstančiai ar milijonai mažesnių kristalinių sričių
Grynas kristalinis silicis sudarytas iš silicio atomų, sujungtų į labai tvarkingą trimatį tinklą. Viename kristaliniame grūdelyje ši tvarka tęsiasi viena orientacija.
Polikristalinėje medžiagoje tokių grūdelių yra daug. Vienas gali būti pasuktas keliais laipsniais, kitas – visiškai kita kryptimi. Kol esame vieno grūdelio viduje, gardelė išlieka tvarkinga, tačiau priartėjus prie jo krašto atomų eilės nebegali tęstis tobulai.
Susitikimo vieta vadinama grūdelio riba. Joje dalis atomų turi kiek kitokią kaimynystę, todėl čia gali koncentruotis kristaliniai defektai, priemaišos ir elektroninės būsenos.
Šis skirtumas iš pirmo žvilgsnio atrodo nedidelis, tačiau elektronikai jis svarbus: elektronai ir skylės per tobulą kristalinę gardelę juda kitaip nei per daugybę jos ribų.
Polikristalinio silicio esmė: kiekvienas atskiras grūdelis yra kristalas, tačiau visa medžiaga nėra vienas kristalas. Ji yra daugelio kristalų bendrija.
Kristalinis grūdelis
Nedidelė silicio sritis, kurioje atomai išlaiko vieną bendrą kristalografinę orientaciją.
Fronteira entre grãos
Sritis, kurioje susitinka dvi skirtingai pasuktos kristalinės gardelės.
Conjunto policristalino
Muitos grãos unem-se mecanicamente e formam um bloco contínuo de silício.
Material semicondutor cinzento, brilhante e frágil, cujo comportamento elétrico é fortemente alterado 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 grão | Estrutura cúbica do 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 | Cinzento-escuro, cinzento-prateado, cinzento-azulado ou quase preto |
| Brilho | Brilho metálico ou semimetálico |
| Comportamento mecânico | Sólido, mas frágil |
| Tipo eletrónico | Semicondutor |
| Largura da banda proibida | Cerca de 1,12 eV à temperatura ambiente |
| Condutividade elétrica | Depende fortemente da temperatura, da pureza e da dopagem controlada. |
| Principal diferença estrutural | Muitas orientações cristalinas e os limites de grão que as separam |
Cada átomo de silício liga-se a quatro vizinhos, criando uma rede tetraédrica semelhante à estrutura do diamante.
Ordem que se repete em três direções
No silício cristalino, cada átomo tem quatro vizinhos de silício mais próximos. As ligações covalentes formam uma rede tridimensional de tetraedros, que determina tanto a geometria do cristal como as suas propriedades semicondutoras.
Quatro ligações
Cada átomo de silício tem quatro eletrões de valência e, no cristal, forma quatro ligações covalentes fortes.
Geometria tetraédrica
Os átomos vizinhos dispõem-se segundo direções tetraédricas, pelo que a rede não é uma simples malha cúbica.
Estrutura do diamante
O tipo de rede do silício é igual ao do diamante, embora os átomos de silício sejam maiores e as ligações mais fracas do que no cristal de carbono.
Estados dos eletrões
A disposição periódica dos átomos cria bandas de energia de valência e de condução.
Intervalo do semicondutor
Entre as bandas de valência e de condução permanece um intervalo de energia, pelo que o silício não é nem um bom metal nem um isolador convencional.
Influência da temperatura
O calor pode fornecer aos eletrões energia suficiente para passarem para a banda de condução e aumentarem a condutividade.
No silício policristalino, esta mesma rede cristalina do diamante repete-se em cada grão. O que difere não é a disposição local dos átomos, mas a orientação de todo o grão no espaço.
A superfície em mosaico do silício policristalino é criada por regiões cristalinas individuais, que refletem a luz de forma diferente devido às suas orientações distintas.
Uma superfície, muitos ângulos cristalográficos
Os átomos à superfície de cada grão estão orientados de forma ligeiramente diferente relativamente à luz, ao ataque químico e ao processamento mecânico. Por isso, as áreas adjacentes podem parecer mais claras, mais escuras ou mais azuladas.
Interior do grão
A ordem atómica aqui é bastante regular e próxima da estrutura de um monocristal.
Fronteira
Quando duas orientações se encontram, nem todas as ligações atómicas podem prosseguir numa sequência periódica ideal.
Defeitos cristalinos
Nas fronteiras podem existir ligações distorcidas, deslocações e outras imperfeições da rede.
Acumulação de impurezas
Alguns átomos estranhos acumulam-se energeticamente de forma mais favorável nas fronteiras entre grãos do que numa rede perfeita.
Recombinação dos portadores de carga
Os eletrões e os buracos podem recombinar-se mais facilmente nas fronteiras, reduzindo assim o seu tempo de vida útil.
Tamanho dos grãos
Quanto maiores forem os grãos, menos fronteiras correspondem ao mesmo volume de material.
As fronteiras entre grãos não são simplesmente linhas visíveis. São verdadeiras junções cristalinas, capazes de alterar o movimento da carga elétrica, a resposta mecânica e a distribuição das impurezas.
O percurso do dióxido de silício até um material adequado para a eletrónica exige não só fundir o silício, mas também remover quase todas as impurezas estranhas
Matéria-prima de dióxido de silício
O processo industrial começa geralmente com quartzo ou outro material muito rico em dióxido de silício.
Redução com carbono
A alta temperatura, o oxigénio é removido, obtendo-se silício elementar de qualidade metalúrgica.
O silício é convertido em compostos voláteis
Para permitir uma purificação extremamente rigorosa, o silício é quimicamente convertido em compostos que podem ser destilados.
Os compostos são purificados
Por destilação, separam-se as substâncias cujas temperaturas de ebulição e comportamento químico diferem dos do composto de silício pretendido.
Deposita-se silício puro
A alta temperatura, um composto gasoso que contém silício é decomposto e o silício elementar deposita-se sobre um substrato aquecido.
Obtém-se polissilício
Obtém-se um material de silício policristalino de elevada pureza, que pode posteriormente ser fundido e utilizado para cultivar outras formas cristalinas.
O termo «polissilício» refere-se frequentemente, na indústria, a silício policristalino de elevada pureza — a matéria-prima a partir da qual são posteriormente cultivados monocristais ou fundidos lingotes policristalinos.
À medida que o silício fundido arrefece, surgem simultaneamente núcleos cristalinos em muitos locais, que crescem até se encontrarem uns com os outros
O silício é fundido
Acima da temperatura de fusão, a ordem cristalina de longo alcance desaparece e os átomos movem-se no material fundido líquido.
A temperatura começa a descer
Ao arrefecer, surgem condições para os átomos se voltarem a ligar numa rede cristalina de diamante.
Formam-se muitos núcleos
Em diferentes zonas do material fundido começam a crescer cristais de silício distintos.
Os cristais expandem-se
Cada núcleo cresce segundo a sua própria orientação cristalográfica, incorporando cada vez mais átomos de silício.
Os grãos encontram-se
As frentes dos cristais em crescimento alcançam-se umas às outras e já não podem continuar as suas redes sem um compromisso estrutural.
Formam-se fronteiras entre grãos
Todo o material solidifica num bloco contínuo, mas nele permanecem muitas orientações cristalinas distintas.
Se todo o material fundido fosse forçado a crescer a partir de um único núcleo cristalino correctamente orientado e não se formassem outros núcleos, seria possível obter um monocristal. Um policristal surge quando muitos centros cristalinos crescem simultaneamente.
O silício policristalino ajudou a transformar a tecnologia fotovoltaica num sistema de produção de energia em massa
Da luz ao circuito eléctrico
Um fotão solar pode transferir energia a um electrão do silício e elevá-lo à banda de condução. Uma região de campo eléctrico criada adequadamente separa o electrão do buraco remanescente e encaminha a carga para o circuito externo.
Absorção de fotões
A luz com energia suficiente pode criar um electrão móvel e um portador de carga positivo — um buraco.
Silício do tipo p e do tipo n
A introdução controlada de diferentes impurezas cria regiões com diferentes concentrações de portadores de carga.
Junção p–n
O campo eléctrico formado na junção de duas regiões ajuda a separar os portadores de carga criados pela luz.
Perdas nas fronteiras dos grãos
Parte dos electrões e dos buracos pode recombinar-se nas fronteiras antes de chegar aos eléctrodos.
Grãos grandes
Grãos cristalinos maiores reduzem a quantidade de fronteiras e, geralmente, ajudam a manter melhores propriedades electrónicas.
Superfície azul
A cor azul característica de muitas células solares policristalinas clássicas é reforçada pelas camadas superficiais anti-reflexo.
Uma célula solar policristalina não é «menos cristalina» do que uma monocristalina. No seu interior existem muitos cristais verdadeiros — simplesmente, as suas orientações são diferentes e há mais fronteiras entre eles.
As camadas finas de silício policristalino permitem criar transístores onde não é necessário utilizar um monocristal maciço
Transístores de película fina
O silício policristalino pode ser utilizado em transístores de película fina de ecrãs e noutras estruturas electrónicas.
Portas de microchips
Historicamente, o polissilício fortemente dopado foi amplamente utilizado nos eléctrodos de porta de transístores MOS.
Resistências
A combinação controlada do tamanho dos grãos, da dopagem e da geometria da camada permite formar resistências eléctricas.
Sistemas micromecânicos
As camadas de silício policristalino podem tornar-se vigas microscópicas, membranas e estruturas móveis.
Sensores
As propriedades mecânicas e eléctricas permitem utilizar o polissilício em microssensores de pressão, movimento e outros parâmetros.
Dopagem controlada
A quantidade de boro, fósforo ou de outras impurezas adequadas permite alterar a concentração de portadores de carga livres em muitas ordens de grandeza.
Na electrónica, a palavra «polissilício» refere-se frequentemente não a um grande bloco brilhante de silício, mas a uma camada muito fina de silício policristalino integrada numa estrutura complexa de microchip.
Os átomos de ambos os materiais ligam-se da mesma forma, mas num deles a rede prolonga-se quase sem mudança de direcção, enquanto no outro está dividida em numerosas regiões cristalinas
Monocristal
Praticamente todo o lingote tem uma orientação cristalográfica comum.
Policristal
O lingote é constituído por muitas orientações cristalinas distintas.
Fronteiras dos grãos
Num monocristal, quase não existem, enquanto num policristal constituem toda a rede interna.
Movimento dos eletrões
A ordem mais perfeita de um monocristal permite, geralmente, que os portadores de carga se movam com menos obstáculos estruturais.
Processo de fabrico
Um monocristal exige o controlo do crescimento de um único cristal, enquanto um material policristalino pode solidificar a partir de muitos núcleos.
Aspeto
Numa superfície policristalina, é frequentemente possível ver um padrão semelhante a um mosaico, formado pelos diferentes grãos.
Monocristal e policristal não são duas substâncias químicas diferentes. Ambos podem ser silício elementar quase puro — o que difere é a escala da sua ordem cristalina.
O elemento cujos compostos constituem a maior parte das rochas do mundo tornou-se também uma das bases mais importantes da civilização digital
Na natureza, o silício quase nunca é encontrado como grandes cristais do elemento puro, porque se combina muito facilmente com o oxigénio. O quartzo, os feldspatos e numerosos silicatos conservam-no num estado oxidado.
A história industrial do silício começou com a capacidade de o separar do oxigénio e de outros elementos e, mais tarde, com a sua purificação cada vez mais avançada.
A revolução da eletrónica exigia não simplesmente silício, mas silício extremamente puro e com uma estrutura cristalina controlada. Mesmo quantidades muito pequenas de elementos indesejados podem alterar significativamente as propriedades elétricas do semicondutor.
A produção de polissilício tornou-se a ligação entre a química das matérias-primas e a engenharia de cristais. A partir de polissilício purificado, podem fundir-se lingotes para células solares ou cultivar grandes monocristais para a microeletrónica.
Assim, um dos elementos mais abundantes da crosta terrestre tornou-se um material em que não importa a abundância, mas sim uma estrutura e uma pureza controladas com extraordinária precisão.
O valor tecnológico do silício surgiu quando as pessoas aprenderam não só a extraí-lo, mas também a controlar quase todos os aspetos dos seus cristais — desde as impurezas até à orientação dos átomos.
Uma cidade de muitos cristais
No silício líquido, nasceram vários cristais pequenos quase ao mesmo tempo.
Cada um começou a crescer na sua própria direção.
«Se não estivermos todos orientados da mesma forma, nunca nos tornaremos um só corpo», disse o primeiro cristal.
No entanto, a temperatura continuou a descer e os cristais expandiram-se.
Por fim, as suas extremidades encontraram-se.
As redes cristalinas não coincidiram 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 o lugar onde nos unimos.»
Quando todo o fundido solidificou, não havia um único cristal perfeito. Havia milhões deles — e, em conjunto, tornaram-se um material funcional.
Isto não é uma lenda antiga. É uma narrativa criativa, inspirada no crescimento real dos grãos de silício policristalino.
Unidade de muitas direções, capacidade de manter uma estrutura própria e, ao mesmo tempo, criar um sistema maior que só 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 no ser humano.
Um grão individual
Cada parte da vida de uma pessoa pode ter a sua própria direção e, ainda assim, pertencer a um todo maior.
Fronteira entre grãos
A diferença entre duas pessoas ou ideias pode tornar-se não apenas um conflito, mas também o verdadeiro ponto de união entre ambas.
Cristalização
A ordem pode surgir simultaneamente em vários locais e, mais tarde, unir-se num único sistema.
Semicondutor
A capacidade de controlar quando a energia flui e quando para pode simbolizar limites conscientes e uma ação orientada.
Célula solar
A energia recebida do exterior pode não só ser absorvida, mas também transformada em trabalho útil.
Um todo em mosaico
Um sistema complexo não tem de esconder as suas partes diferentes — por vezes, são precisamente elas que criam a estrutura mais interessante.
Ritual da estrutura comum
Esta prática simbólica seca destina-se a uma situação em que tem vários trabalhos, competências ou pessoas diferentes e quer compreender como os unir num único sistema funcional, sem obrigar todos a tornarem-se iguais.
O que será necessário
- uma amostra de silício policristalino;
- folha de papel;
- caneta;
- de um sistema ou projeto que queira organizar melhor.
Grãos
No papel, desenhe várias áreas separadas e escreva em cada uma delas 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 deveria ser obrigada a mudar.
Fronteiras
Entre as áreas adjacentes, escreva que informações, recursos ou decisões têm de passar de uma para a outra.
Locais de defeitos
Assinale uma junção onde atualmente se perde mais tempo, energia ou clareza.
Ligação mais forte
Escolha uma pequena alteração que melhore precisamente esta fronteira: uma regra mais clara, uma melhor transmissão de informação ou um processo mais simples.
Encantamento
Coloque o silício policristalino no centro do esquema e diga três vezes:
Mantenho as direções, uno as fronteiras,
crio um todo funcional a partir de muitas partes.
Conclusão
Diga: «A unidade não exige uniformidade. Cada parte pode manter a sua direção, e eu posso reforçar os pontos onde se encontram.»
Perguntas mais frequentes sobre o silício policristalino
O que é o silício policristalino?
Qual é a sua fórmula química?
Em que difere o silício policristalino do monocristalino?
O que é um limite de grão?
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 tem um aspeto de mosaico?
O que é o polissilício?
O silício policristalino é utilizado em células solares?
Porque são importantes os limites de grão para as células solares?
O polissilício é utilizado na microeletrónica?
O que simboliza o silício policristalino no imaginário contemporâneo?
O silício policristalino mostra que uma estrutura funcional pode ser criada não eliminando as diferenças, mas organizando com precisão os pontos onde diferentes direções se encontram
A sua história começa com o mesmo átomo de silício, que na natureza se encontra geralmente escondido no quartzo e nos minerais de silicato.
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 de grão, tornando-se juntos um único corpo policristalino sólido.
No mundo da tecnologia, este material liga a química, a física dos cristais, a energia solar e a microeletrónica. Numa linguagem simbólica, pode lembrar-nos que um todo complexo não tem necessariamente uma única direção – por vezes, a sua força surge porque muitos cristais diferentes aprendem a coexistir num só corpo.