Silício
Linas JuozėnasPartilhar
Silício
Silicis yra cheminis elementas, pažymėtas simboliu Si ir turintis atominį skaičių 14. Gamtoje jis beveik niekada neaptinkamas grynas, nes lengvai jungiasi su deguonimi ir kitais elementais. Todėl silicį dažniausiai sutinkame kvarce, lauko špatuose, žėručiuose, molio mineraluose ir daugybėje kitų silikatų. Išgrynintas iki nepaprastai aukšto lygio ir išaugintas į vientisą kristalą, jis tampa valdomu puslaidininkiu, iš kurio gaminamos mikroschemos, jutikliai ir saulės elementai.
Keturių ryšių elementas, galintis tapti uolienos karkasu arba tiksliai valdomu elektronų keliu
Silicio atomas turi keturis valentinius elektronus. Tai leidžia jam sudaryti keturis stiprius kovalentinius ryšius su kaimyniniais atomais.
Gryname kristaliniame silicyje kiekvienas atomas susijungia su keturiais kitais silicio atomais ir sukuria trimatę deimantinio tipo gardelę.
Gamtoje silicis dažniau jungiasi su deguonimi. Silicio ir deguonies tetraedrai gali būti pavieniai, susijungę į grandines, žiedus, lakštus arba vientisus karkasus.
Silicio esmė: tie patys keturi galimi ryšiai leidžia jam kurti ir milžinišką silikatų įvairovę Žemės plutoje, ir tvarkingą puslaidininkinį kristalą elektronikoje.
Keturi valentiniai elektronai
Jie leidžia siliciui sudaryti tvirtą keturių ryšių tinklą.
Metaloido padėtis
Silicis turi ir metalams, ir nemetalams būdingų savybių, todėl užima tarpinę vietą.
Kontroliuojamas laidumas
Grynas silicis laidus ribotai, tačiau jo elektrinį elgesį galima labai tiksliai keisti nedidelėmis priemaišomis.
Kietas, trapus ir pilkai blizgantis kristalas, kurio laidumas priklauso nuo temperatūros, šviesos ir priemaišų
| Cheminis simbolis | Si |
|---|---|
| Atominis skaičius | 14 |
| Elemento klasė | Metaloidas |
| Kristalinė sandara | Diamantkubisches Gitter |
| Kietumas | Maždaug 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Maždaug 2,33 g/cm³ |
| Lydymosi temperatūra | Apie 1414 °C |
| Virimo temperatūra | Apie 3265 °C |
| Blizgesys | Metalinis arba pusiau metalinis |
| Spalva | Tamsiai pilka, plieno pilka arba melsvai pilka |
| Lūžis | Kriaukliškas; medžiaga trapi |
| Elektroninė savybė | Puslaidininkis, kurio draustinės juostos plotis kambario temperatūroje yra apie 1,12 eV |
| Pralaidumo pokytis | Aumenta com o aumento da temperatura, sob a ação da luz ou com a introdução de impurezas adequadas |
Um dos elementos de construção mais importantes do planeta, mas quase sempre oculto em compostos
Quartzo
O dióxido de silício SiO₂ forma o quartzo, a ametista, o citrino, o cristal de rocha e muitas outras variedades de quartzo.
Feldspatos
Estruturas de silício, alumínio, oxigénio e metais formam um dos grupos de minerais mais abundantes da crosta terrestre.
Micas
As lamelas de silicato permitem que estes minerais se desfaçam facilmente em lâminas finas.
Minerais de argila
A meteorização dos silicatos forma partículas lamelares extremamente finas, importantes para os solos e os sedimentos.
Piroxenas e anfíbolas
As suas cadeias de silicatos são importantes para as rochas magmáticas e metamórficas.
Silício natural
O silício elementar livre é muito raro na natureza, pois reage facilmente e transforma-se em óxidos ou silicatos.
Grande parte da arquitetura mineral da crosta terrestre pode ser compreendida observando como os tetraedros de silício e oxigénio se ligam em formas cada vez mais complexas.
Da rocha de dióxido de silício até ao material ultrapurificado, no qual quase todas as impurezas são controladas
Seleciona-se o dióxido de silício
Na produção utiliza-se quartzo ou areia de quartzo muito limpa.
O dióxido de silício é reduzido
A alta temperatura, num forno elétrico, o oxigénio é removido utilizando um material que contém carbono.
Obtém-se silício de grau metalúrgico
Forma-se uma massa cinzenta de silício elementar, que ainda contém impurezas em excesso para uma eletrónica sensível.
O silício é convertido num composto volátil
O composto químico intermédio pode ser destilado e separado de muitos contaminantes.
O silício ultrapurificado é depositado
Obtém-se um material policristalino de pureza muito elevada a partir de um composto gasoso purificado.
O material é preparado para o crescimento do cristal
O silício é fundido num ambiente controlado e utilizado para formar lingotes monocristalinos ou policristalinos.
O quartzo encontrado na natureza pode ser quase transparente, mas a eletrónica exige mais do que uma matéria-prima bonita. É necessária uma pureza tal que até uma quantidade ínfima de um elemento indesejado não comprometa o comportamento elétrico.
Um cristal gigantesco é cultivado de modo que milhares de milhões de átomos sigam uma única direção comum da rede
Do fundido à bolacha
Um cilindro monocristalino é cortado em lâminas circulares muito finas, chamadas bolachas de silício. Nelas são posteriormente criados transístores, pistas condutoras e outras estruturas eletrónicas.
Semente cristalina
Um pequeno cristal de silício, orientado com precisão, toca a superfície do material fundido.
Extração lenta
A semente é rodada e elevada, enquanto os átomos que se ligam a ela prolongam a mesma rede cristalina.
Cilindro monocristalino
Ao controlar adequadamente a temperatura e a velocidade de extração, cresce um cristal longo com orientação uniforme.
Corte das lâminas
Cilindros são cortados em discos finos, cuja superfície é alisada e polida.
Direção cristalográfica
A orientação da bolacha é escolhida de acordo com as características de fabrico e elétricas do futuro dispositivo.
Silício policristalino
Quando um material é constituído por muitos grãos cristalinos com orientações diferentes, chama-se policristalino.
A sua condutividade é suficientemente controlável, a matéria-prima é abundante e é possível criar na superfície uma camada estável de óxido isolante
Comportamento semicondutor
O silício não é um bom condutor metálico nem um isolador completo, pelo que é possível controlar o movimento dos seus eletrões.
Silício do tipo n
Impurezas com um eletrão de valência adicional aumentam o número de eletrões livres.
Silício do tipo p
Impurezas com menos um eletrão de valência criam locais de défice de eletrões, chamados lacunas.
Transístores
Um campo elétrico controla se a corrente passa através de um canal microscópico de silício.
Células solares
A luz cria no silício portadores de carga móveis, que o campo elétrico interno direciona para o circuito elétrico.
Camada de dióxido de silício
Na superfície do silício, é possível fazer crescer uma camada isolante resistente de SiO₂, muito importante para o fabrico de microcircuitos.
O silício tornou-se a base da tecnologia não por ser perfeito de um ponto de vista isolado, mas porque as suas propriedades elétricas, químicas, térmicas e de fabrico funcionam extraordinariamente bem em conjunto.
Três palavras de som semelhante significam materiais completamente diferentes
Silício
Elemento químico Si. O silício cristalino puro é um metaloide cinzento-escuro e um semicondutor.
Dióxido de silício
Composto SiO₂. Forma o quartzo e é um componente importante de muitas areias, vidros e rochas.
Silicatos
Vasto grupo de minerais no qual unidades de silício e oxigénio se ligam a alumínio, magnésio, ferro, cálcio e outros elementos.
Silicone
Família de polímeros sintéticos cuja cadeia principal alterna átomos de silício e oxigénio.
Vidro
Material geralmente amorfo, constituído por dióxido de silício e outros óxidos, sem ordem cristalina de longo alcance.
Carboneto de silício
Composto SiC, constituído por silício e carbono, caracterizado por elevada dureza e resistência ao calor.
O silício não é o mesmo que silicone. Um é um elemento e um semicondutor; o outro é um material polimérico criado à base de silício, oxigénio e grupos orgânicos.
O elemento foi separado de materiais que as pessoas utilizavam há milhares de anos, mas durante muito tempo desconheceu-se a sua verdadeira natureza química
O nome silício está associado à palavra latina silex, que significava sílex ou uma pedra dura rica em silício.
Desde os tempos mais antigos, as pessoas utilizavam sílex, areia de quartzo, argila, cerâmica e vidro, mas o silício elementar estava quimicamente ligado nesses materiais.
No início do século XIX, percebeu-se que o dióxido de silício continha um elemento que ainda não tinha sido isolado. Em 1824, Jöns Jacob Berzelius preparou silício amorfo bastante puro.
Mais tarde, as propriedades do silício cristalino tornaram-se cada vez mais importantes para a engenharia eletrotécnica e, no século XX, ele tornou-se o principal material dos transístores e dos circuitos integrados.
A história do silício tem um percurso invulgar: primeiro, escondia-se na pedra; mais tarde, foi isolado em laboratório; por fim, tornou-se o próprio material em que a humanidade começou a armazenar e a processar informação.
O cristal que aprendeu a calcular
Na rocha da montanha vivia o silício. Ele sustentava a rede do quartzo, a estrutura do feldspato e as folhas de mica, mas ninguém o via isoladamente.
Um dia, os seres humanos libertaram-no das ligações com o oxigénio, purificaram-no e fundiram-no.
«Em que me deverei tornar?», perguntou o silício.
«Primeiro, aprende a alinhar todos os teus átomos na mesma direção», respondeu o núcleo do cristal.
O silício cresceu lentamente, até se tornar num cristal único. Então, foram introduzidos na sua rede cristalina apenas alguns átomos estranhos.
Num lugar surgiu um eletrão adicional; noutro, um espaço vazio por onde ele podia mover-se. Entre ambos começou a fluir um sinal controlado.
Assim, o elemento que durante milhares de milhões de anos construiu pedras aprendeu a calcular, a recordar e a transmitir pensamentos criados pelos seres humanos.
Esta não é uma lenda antiga. É uma narrativa criativa, inspirada na verdadeira rede cristalina do silício, na condução por impurezas e no funcionamento dos microchips.
Estrutura, ligação precisa e capacidade de criar um sistema funcional a partir de muitas pequenas unidades
Na linguagem simbólica contemporânea, o silício pode ser associado à lógica, à aprendizagem, ao processamento de informação, à criação de sistemas e à formação consciente de ligações. Esta é uma interpretação criativa, não um efeito cientificamente comprovado no ser humano.
Quatro ligações
Um elemento pode tornar-se estável não por se separar, mas por se ligar precisamente ao ambiente que o rodeia.
Ordem cristalina
Pequenas regras, repetidas de forma consistente, podem criar uma estrutura grande e fiável.
A importância das impurezas
Por vezes, um pequeno elemento novo não desintegra o sistema, mas confere-lhe uma função completamente nova.
Estado semicondutor
Nem tudo tem de estar completamente aberto ou completamente fechado — o valor pode estar numa transição controlada.
Sinal
A informação só ganha significado quando tem um percurso, uma direção e um estado claro.
Da pedra ao pensamento
O mesmo material pode desempenhar um papel completamente diferente quando se altera a qualidade da sua pureza, estrutura e organização.
Ritual do sistema claro
Esta prática simbólica e despojada destina-se a um trabalho ou projeto com muitos detalhes individuais, mas ainda sem uma estrutura funcional clara.
O que será necessário
- uma amostra de silício;
- uma folha de papel;
- uma caneta;
- de uma tarefa ou projeto complexo.
Quatro ligações principais
Anote as quatro partes mais importantes do projeto, sem as quais o sistema não poderia funcionar.
Regra da grelha
Para cada parte, escreva uma regra clara que determine como deve funcionar.
Percurso do sinal
Desenhe como a informação, a solução ou o material se move de uma parte para outra.
Nützlicher Dotierstoff
Nennen Sie eine kleine Veränderung, die dem System eine neue Funktion geben oder das größte Hindernis beseitigen könnte.
Zauberspruch
Legen Sie das Silizium in die Mitte des Blattes und sprechen Sie dreimal:
Ich sehe die Verbindungen und schaffe Ordnung,
Ich verbinde das System durch kleine Einheiten.
Abschluss
Sagen Sie: „Ich muss nicht alles auf einmal erschaffen. Es genügt, den nächsten wichtigen Teil präzise zu verbinden.“
Häufig gestellte Fragen zu Silizium
Was ist Silizium?
Ist Silizium ein Metall?
Ist Silizium ein Mineral?
Welche Kristallstruktur hat Silizium?
Wie hart ist Silizium?
Warum ist Silizium ein Halbleiter?
Was sind Silizium vom n-Typ und vom p-Typ?
Sind Silizium und Siliziumdioxid dasselbe?
Sind Silizium und Silikon dasselbe?
Wofür steht Silizium in der modernen Vorstellungskraft?
Silizium zeigt, wie dieselbe atomare Eigenschaft Berge, transparenten Quarz, Solarzellen und mikroskopisch kleine Logikgatter aufbauen kann
In der Natur kommt Silizium fast immer in Verbindungen mit Sauerstoff und anderen Elementen vor und bildet eine enorme Vielfalt an Silikatmineralen.
In der Industrie wird es aus Siliziumdioxid gewonnen, gereinigt und zu geordneten Einkristallen gezüchtet.
Wird eine sehr geringe Menge geeigneter Dotierstoffe eingebracht, entstehen im Gitter zusätzliche Elektronen oder Löcher, und das elektrische Signal lässt sich steuern.
In der Chemie ist Silizium das vierzehnte Element. In der Symbolsprache kann es daran erinnern, dass komplexe Systeme nicht unbedingt aus einer einzigen großen Lösung entstehen – sie entstehen, wenn zahlreiche kleine Verbindungen so präzise angeordnet werden, dass sie wie ein einziger Gedanke zu funktionieren beginnen.