Siliciu policristalin
Linas JuozėnasA distribui
Siliciu policristalin
Siliciul policristalin este un material cristalin de siliciu alcătuit din numeroase cristale individuale de siliciu, numite grăunți. În fiecare grăunte, atomii sunt dispuși într-o rețea cubică ordonată de tip diamant, însă rețelele grăunților vecini sunt rotite la unghiuri diferite. În locurile în care se întâlnesc, se formează limite de grăunte. Tocmai această structură policristalină diferențiază siliciul policristalin de cel monocristalin și îi conferă suprafața mozaicată caracteristică. Acest material a devenit una dintre cele mai importante verigi intermediare care leagă materia primă de cuarț, celulele solare, microelectronica și cristalele de siliciu de puritate extrem de ridicată.
Din punct de vedere chimic, este același siliciu, însă, în locul unei singure orientări cristaline continue, conține mii sau milioane de regiuni cristaline mai mici
Siliciul cristalin pur este alcătuit din atomi de siliciu legați într-o rețea tridimensională extrem de ordonată. Într-un singur grăunte cristalin, această ordine păstrează aceeași orientare.
Un material policristalin conține numeroși astfel de grăunți. Unul poate fi rotit cu câteva grade, iar altul poate fi orientat într-o direcție complet diferită. În interiorul grăuntelui, rețeaua rămâne ordonată, însă, pe măsură ce se apropie de marginea acestuia, șirurile de atomi nu mai pot continua într-un mod perfect regulat.
Zona lor de întâlnire se numește limită de grăunte. Mediul local al unor atomi diferă ușor acolo, astfel că în aceste zone se pot acumula defecte ale structurii cristaline, impurități și stări electronice.
La prima vedere, această diferență poate părea minoră, însă în electronică este foarte importantă: într-o rețea cristalină aproape perfectă, electronii și golurile se mișcă diferit față de un material străbătut de numeroase limite între grăunți.
Esența siliciului policristalin: fiecare grăunte individual este un cristal, însă întregul material nu este un singur cristal. Este o comunitate de numeroase cristale.
Grăunte cristalin
Regiune mică de siliciu în care atomii păstrează o orientare cristalografică comună.
Grūdelių riba
Regiune în care se întâlnesc două rețele cristaline rotite diferit.
Ansamblu policristalin
Numeroase grăunțe cresc împreună mecanic și formează o bucată continuă de siliciu.
Semiconductor gri, lucios și fragil, ale cărui proprietăți electrice sunt influențate puternic de puritate, impurități și dimensiunea grăunților cristalini
| Simbol chimic | Si |
|---|---|
| Tipul materialului | Semiconductor elementar policristalin |
| Număr atomic | 14 |
| Structură cristalină în interiorul grăuntelui | Structură cubică de tip diamant |
| Duritate | Aproximativ 6,5–7 pe scara Mohs |
| Densitate | Aproximativ 2,33 g/cm³ |
| Temperatura de topire | Aproximativ 1414 °C |
| Culoare | Gri închis, gri-argintiu, gri-albăstrui sau aproape negru |
| Luciu | De la metalic la semimetalic |
| Proprietăți mecanice | Dur, dar fragil |
| Tip electronic | Puslaidininkis |
| Lățimea benzii interzise | Aproximativ 1,12 eV la temperatura camerei |
| Conductivitate electrică | Depinde foarte mult de temperatură, puritate și doparea controlată |
| Diferența structurală principală | Numeroase cristale cu orientări diferite, separate de limitele grăunților |
Fiecare atom de siliciu se leagă de patru atomi vecini, formând o rețea tetraedrică asemănătoare structurii diamantului
Ordine repetată în trei dimensiuni
În siliciul cristalin, fiecare atom are patru atomi de siliciu vecini cei mai apropiați. Legăturile covalente formează o rețea tetraedrică tridimensională, care determină atât geometria cristalului, cât și proprietățile sale semiconductoare.
Patru legături
Fiecare atom de siliciu are patru electroni de valență și formează în cristal patru legături covalente puternice.
Geometrie tetraedrică
Atomii vecini sunt dispuși în direcții tetraedrice, astfel că rețeaua nu este o simplă structură cubică.
Structura diamantului
Tipul rețelei siliciului este, în esență, același ca al diamantului, deși atomii de siliciu sunt mai mari, iar legăturile sunt mai slabe decât în cristalul de carbon.
Stări electronice
Dispunerea periodică a atomilor formează benzile energetice de valență și de conducție.
Banda interzisă a semiconductorului
Între benzile de valență și de conducție rămâne o bandă interzisă, astfel că siliciul nu este nici un metal foarte bun conductor, nici un izolator obișnuit.
Efectul temperaturii
Căldura poate furniza electronilor suficientă energie pentru a trece în banda de conducție și a mări conductivitatea electrică.
În siliciul policristalin, aceeași rețea cubică de tip diamant se repetă în fiecare granulă. Ceea ce diferă nu este ordinea locală a atomilor, ci orientarea întregii granule în spațiu.
Suprafața de siliciu policristalină, asemănătoare unui mozaic, este alcătuită din regiuni cristaline distincte, care reflectă lumina diferit din cauza orientării lor diferite
O suprafață, multe unghiuri cristalografice
Atomii de la suprafața fiecărui grăunte au orientări ușor diferite față de direcțiile luminii incidente, ale atacului chimic și ale prelucrării mecanice. Din acest motiv, regiunile învecinate pot părea mai deschise, mai închise sau mai albăstrui.
În interiorul grăuntelui
Aici, dispunerea atomilor este destul de regulată și seamănă foarte mult cu structura unui monocristal.
Limită
Acolo unde se întâlnesc două regiuni cu orientări diferite, nu toate legăturile atomice pot continua într-o secvență complet periodică.
Defecte cristaline
La limite pot exista legături deformate, dislocații și alte defecte ale rețelei.
Acumularea impurităților
Pentru unii atomi străini, acumularea la limitele dintre grăunți este favorabilă energetic față de prezența în interiorul unei rețele perfecte.
Recombinarea purtătorilor de sarcină
La limite, electronii și golurile se pot recombina mai ușor, reducându-și astfel durata de viață utilă.
Dimensiunea grăunților
Cu cât grăunții sunt mai mari, cu atât există mai puține limite în același volum de material.
Limitele dintre grăunți nu sunt doar linii vizibile. Sunt interfețe reale între regiuni cristaline, care pot modifica transportul sarcinii, răspunsul mecanic și distribuția impurităților.
Pentru a obține din dioxidul de siliciu un material cu puritate adecvată pentru electronică, nu este suficient să se topească siliciul; trebuie îndepărtate aproape toate impuritățile nedorite
Materie primă cu dioxid de siliciu
Procesul de producție industrială începe, de obicei, cu cuarț sau cu un alt material cu un conținut foarte ridicat de dioxid de siliciu.
Reducere cu carbon
La temperatură ridicată, oxigenul este îndepărtat și se obține siliciu elementar de puritate metalurgică.
Siliciul este transformat în compuși volatili
Pentru a purifica siliciul cu o precizie foarte mare, acesta este transformat chimic în compuși care pot fi distilați.
Compușii sunt purificați
Prin distilare se separă substanțele al căror punct de fierbere și ale căror proprietăți chimice diferă de cele ale compusului de siliciu dorit.
Se depune siliciu pur
La temperatură ridicată, un compus gazos care conține siliciu se descompune, iar siliciul elementar se depune pe un substrat încălzit.
Se obține polisiliciu
Se obține un material policristalin de siliciu de puritate foarte ridicată, care poate fi ulterior topit și folosit pentru creșterea altor forme cristaline.
În industrie, termenul polisiliciu desemnează adesea siliciul policristalin de puritate foarte ridicată, materia primă din care pot fi crescuți ulterior monocristali sau turnate lingouri multicristaline.
Pe măsură ce siliciul topit se răcește, germeni de cristal apar simultan în multe locuri și cresc până când se ating
Siliciul este topit
Când se depășește temperatura de topire, ordinea cristalină la distanță se pierde, iar atomii se deplasează în topitura lichidă.
Temperatura începe să scadă
Pe măsură ce topitura se răcește, se creează condițiile pentru ca atomii să se reunească într-o rețea cristalină cubică de tip diamant.
Se formează numeroși germeni
Cristale individuale de siliciu încep să crească în diferite zone ale topiturii.
Cristalele cresc
Fiecare germene crește cu propria orientare cristalografică, încorporând tot mai mulți atomi de siliciu.
Granulele se ating
Fronturile cristalelor în creștere se întâlnesc și nu-și mai pot continua rețelele fără un compromis structural.
Se formează limite între granule
Întregul material se solidifică într-un singur bloc compact, însă în interiorul său se păstrează numeroase orientări cristalografice diferite.
Dacă întreaga topitură ar fi cristalizată pornind de la un singur germene cristalin cu orientarea potrivită și nu s-ar forma germeni suplimentari, s-ar putea obține un monocristal. Un policristal se formează atunci când cresc simultan numeroase centre de cristalizare.
Siliciul policristalin a contribuit la transformarea tehnologiei fotovoltaice într-un sistem de producere a energiei la scară largă
De la lumină la circuitul electric
Un foton din lumina solară poate transfera energie unui electron din siliciu și îl poate excita în banda de conducție. O regiune cu câmp electric formată corespunzător separă electronul de golul rămas și direcționează sarcina către circuitul exterior.
Absorbția fotonilor
Lumina cu energie suficientă poate crea un electron mobil și un purtător de sarcină pozitiv - un gol.
Siliciu de tip p și de tip n
Prin introducerea unor cantități controlate de impurități diferite de dopare, se pot crea regiuni cu concentrații diferite de purtători de sarcină.
Joncțiune p–n
Câmpul electric format la joncțiunea dintre două regiuni ajută la separarea purtătorilor de sarcină generați de lumină.
Pierderi la limitele granulelor
O parte dintre electroni și goluri se pot recombina la limitele granulelor înainte de a ajunge la electrozi.
Granule mari
Granulele cristaline mai mari reduc numărul limitelor și, de obicei, contribuie la păstrarea unor proprietăți electronice mai bune.
Suprafață albastră
Culoarea albastră caracteristică multor elemente solare policristaline clasice este intensificată de straturile de suprafață antireflex.
Un element solar policristalin nu este „mai puțin cristalin” decât unul monocristalin. Conține multe cristale adevărate - pur și simplu orientările lor diferă, iar între ele există mai multe limite.
Straturile subțiri de siliciu policristalin permit crearea de tranzistoare acolo unde nu este necesar siliciul monocristalin masiv
Tranzistoare cu peliculă subțire
Siliciul policristalin poate fi utilizat în tranzistoare cu peliculă subțire pentru ecrane și alte structuri electronice.
Porți ale circuitelor integrate
În trecut, polisiliciul puternic dopat era utilizat pe scară largă ca material pentru electrozii de poartă ai tranzistoarelor MOS.
Rezistori
Prin controlarea combinației dintre structura granulelor, dopare și geometria stratului, se pot forma rezistori electrici.
Sisteme micromecanice
Straturile de siliciu policristalin pot deveni grinzi microscopice, membrane și structuri mobile.
Senzori
Datorită proprietăților sale mecanice și electrice, siliciul policristalin poate fi folosit în microsenzori de presiune, mișcare și alți parametri.
Dopare controlată
Cantitatea de bor, fosfor sau alte impurități adecvate de dopare poate modifica concentrația purtătorilor liberi de sarcină cu multe ordine de mărime.
În electronică, cuvântul polisiliciu desemnează adesea nu o bucată mare și strălucitoare de siliciu, ci un strat foarte subțire de siliciu policristalin, integrat într-o structură complexă de microcip.
În ambele materiale, atomii se leagă la fel, însă într-unul rețeaua cristalină se extinde aproape fără să-și schimbe direcția, iar în celălalt este împărțită în numeroase regiuni cristaline
Monocristal
Aproape întregul lingou are aceeași orientare cristalografică.
Policristal
Lingoul este alcătuit din numeroase regiuni cu orientări cristalografice diferite.
Limitele dintre granule
În monocristal, acestea aproape că lipsesc, în timp ce în policristal formează o rețea internă extinsă.
Transportul electronilor
Ordinea mai perfectă a monocristalului le permite, de regulă, purtătorilor de sarcină să se deplaseze întâmpinând mai puține obstacole structurale.
Mod de creștere
Pentru a produce un monocristal, trebuie controlată creșterea unui singur cristal, în timp ce un material policristalin se poate solidifica pornind de la numeroși germeni de cristalizare.
Aspect
Pe suprafața materialelor policristaline se poate vedea adesea un model mozaicat format de granule distincte.
Siliciul monocristalin și cel policristalin nu sunt două substanțe chimice diferite. Ambele pot fi alcătuite din siliciu elementar aproape pur – ceea ce diferă este întinderea ordinii lor cristaline.
Elementul ale cărui combinații alcătuiesc o mare parte a lumii rocilor a devenit, de asemenea, unul dintre cele mai importante fundamente ale civilizației digitale
În natură, siliciul nu se găsește aproape niciodată sub formă de cristale mari ale elementului pur, deoarece se combină foarte ușor cu oxigenul. În cuarț, feldspați și nenumărate minerale silicatice, acesta se află în stare oxidată.
Istoria industrială a siliciului a început odată cu învățarea separării siliciului de oxigen și de alte elemente, iar ulterior au fost dezvoltate metode de purificare tot mai avansate.
Revoluția electronicii a avut nevoie nu de orice fel de siliciu, ci de siliciu extrem de pur, cu o structură cristalină controlată. Chiar și cantități foarte mici de elemente nedorite pot modifica semnificativ proprietățile electrice ale unui semiconductor.
Producția de siliciu policristalin a devenit o verigă de legătură între chimia materiilor prime și ingineria cristalelor. Din siliciu policristalin purificat, topit, se pot forma lingouri pentru celule solare sau se poate obține material pentru creșterea unor monocristale mari destinate microelectronicii.
Astfel, unul dintre cele mai abundente elemente din scoarța terestră a devenit un material pentru care abundența contează mai puțin decât controlul extraordinar de precis al structurii și purității.
Siliciul a căpătat valoare tehnologică atunci când oamenii au învățat nu doar să-l extragă, ci și să controleze aproape fiecare aspect al cristalului său – de la impurități până la orientarea atomilor.
Orașul multor cristale
În siliciul topit s-au născut aproape în același timp mai multe cristale mici.
Fiecare a început să crească în propria direcție.
„Dacă nu vom fi cu toții orientați la fel, nu vom deveni niciodată un singur corp”, a spus primul cristal.
Temperatura a continuat însă să scadă, iar cristalele au crescut tot mai mult.
În cele din urmă, marginile lor s-au întâlnit.
Grilajele lor nu se potriveau perfect. Între ele a apărut o limită.
„Vezi? spuse primul. Încă suntem diferiți.”
„Da, a răspunse al doilea. Dar acum limita noastră nu mai este un gol. A devenit locul în care ne-am unit.”
Kai visas lydalas sukietėjo, vieno tobulo kristalo nebuvo. Jų buvo milijonai – ir kartu jie tapo viena veikiančia medžiaga.
Tai nėra senovinė legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikrojo grūdelių augimo polikristaliniame silicyje.
Daugybės krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu kurti didesnę sistemą, veikiančią visų jos dalių dėka
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integravimu ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai įrodytas poveikis žmonėms.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savo kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Dviejų žmonių ar idėjų skirtumas gali tapti ne tik konflikto šaltiniu, bet ir pačia jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali rastis vienu metu daugelyje vietų, o vėliau susijungti į vieną sistemą.
Puslaidininkis
Gebėjimas kontroliuoti, kada energija teka, o kada jos srautas sustoja, gali simbolizuoti sąmoningai nustatytas ribas ir kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunamą energiją galima ne tik sugerti, bet ir paversti naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti skirtingų savo dalių – kartais būtent jos sukuria įdomiausią jos struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kai turite keletą skirtingų užduočių, gebėjimų ar žmonių ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą, neverčiant visų dalių tapti vienodomis.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norėtumėte veiksmingiau organizuoti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelias atskiras sritis ir kiekvienoje įrašykite po vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Šalia kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kurios jos krypties nereikėtų prievarta keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sąsają, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Tvirtesnis ryšys
Pasirinkite vieną nedidelį pokytį, kuris pagerintų sąveiką ties šia konkrečia riba: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Kartojami žodžiai
Padėkite polikristalinį silicį diagramos centre ir tris kartus ištarkite:
Išsaugau kiekvieną kryptį ir stiprinu kiekvieną ryšį,
iš daugybės atskirų dalių kuriu jas pranokstančią veikiančią visumą.
Užbaigimas
Ištarkite: „Vienybei nereikia vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš stiprinu vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Care este formula sa chimică?
Prin ce se deosebește siliciul policristalin de cel monocristalin?
Ce este o limită între grăunți?
Este fiecare grăunte de siliciu policristalin un cristal adevărat?
Care este duritatea siliciului?
Care este densitatea sa?
De ce arată siliciul policristalin ca un mozaic?
Ce este polisiliciul?
Este siliciul policristalin utilizat în celulele solare?
De ce sunt importante limitele dintre grăunți în celulele solare?
Este polisiliciul utilizat în microelectronică?
Ce simbolizează siliciul policristalin în imaginația modernă?
Siliciul policristalin arată că se poate crea o structură funcțională nu prin eliminarea diferențelor, ci prin organizarea atentă a locurilor în care se întâlnesc direcții diferite
Povestea sa începe cu același atom de siliciu, care în natură se găsește cel mai adesea în cuarț și în mineralele silicatice.
Pe măsură ce se răcește, siliciul purificat și topit începe să cristalizeze în numeroase puncte simultan.
Fiecare cristal crește într-o direcție proprie, iar când se întâlnesc, formează limite între grăunți și devin împreună un singur corp policristalin solid.
În lumea tehnologiei, acest material leagă chimia, fizica cristalelor, energia solară și microelectronica. În limbaj simbolic, ne poate aminti că un întreg complex nu are neapărat nevoie de o singură direcție - uneori, forța lui se dezvăluie tocmai pentru că numeroase cristale diferite învață să existe într-un singur corp.