Silicis
Linas JuozėnasDistribuie
Siliciu
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 | Deimantinė kubinė gardelė |
| Kietumas | Apytikriai apie 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Apytikriai 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 |
| Laidumo pokytis | Crește odată cu temperatura, expunerea la lumină sau introducerea unor impurități adecvate |
Unul dintre cele mai importante elemente de construcție ale planetei, însă aproape întotdeauna ascuns în compuși
Cuarțul
Dioxidul de siliciu SiO₂ formează cuarțul, ametistul, citrinul, cristalul de stâncă și multe alte varietăți de cuarț.
Feldspații
Structurile formate din siliciu, aluminiu, oxigen și metale alcătuiesc una dintre cele mai abundente grupe de minerale ale scoarței terestre.
Micele
Straturile de silicați permit acestor minerale să se desfacă ușor în plăcuțe subțiri.
Mineralele argiloase
Prin alterarea silicaților se formează particule lamelare extrem de fine, importante pentru sol și sedimente.
Piroxenii și amfibolii
Lanțurile lor de silicați sunt importante pentru rocile magmatice și metamorfice.
Siliciul natural
Siliciul elementar liber este foarte rar în natură, deoarece reacționează ușor și se transformă în oxizi sau silicați.
O mare parte din arhitectura minerală a scoarței terestre poate fi înțeleasă observând cum tetraedrele de siliciu și oxigen se leagă în forme din ce în ce mai complexe.
De la dioxidul de siliciu din rocă la un material ultrapur, în care aproape fiecare impuritate este controlată
Se selectează dioxidul de siliciu
Pentru producție se utilizează cuarț sau nisip de cuarț foarte curat.
Dioxidul de siliciu este redus
La temperatură înaltă, într-un cuptor electric, oxigenul este îndepărtat folosind un material care conține carbon.
Se obține siliciu metalurgic
Se formează o masă cenușie de siliciu elementar, care încă are prea multe impurități pentru electronica sensibilă.
Siliciul este transformat într-un compus volatil
Un compus chimic intermediar poate fi distilat și separat de numeroși contaminanți.
Se depune siliciu ultrapur
Din compusul gazos purificat se obține un material policristalin de puritate foarte înaltă.
Materialul este pregătit pentru creșterea cristalului
Siliciul este topit într-un mediu controlat și utilizat pentru formarea lingourilor monocristaline sau policristaline.
Cuarțul din natură poate fi aproape transparent, însă electronica are nevoie de mai mult decât materie primă frumoasă. Este necesar un asemenea grad de puritate, încât chiar și o cantitate foarte mică dintr-un element nedorit să nu mai afecteze comportamentul electric.
Un cristal uriaș este crescut astfel încât miliarde de atomi să continue într-o singură direcție comună a rețelei
De la topitură la plăcuță
Cilindrul monocristalin este tăiat în plăci circulare foarte subțiri, numite plăcuțe de siliciu. Pe acestea sunt create ulterior tranzistori, trasee conductoare și alte structuri electronice.
Germenul cristalului
Un mic cristal de siliciu orientat cu precizie este atins de suprafața materialului topit.
Tragere lentă
Germenul este rotit și ridicat, iar atomii care se atașează de acesta continuă aceeași rețea cristalină.
Cilindru monocristalin
Prin controlarea adecvată a temperaturii și a vitezei de tragere se formează un cristal lung, cu orientare uniformă.
Tăierea plăcuțelor
Cilindrul este tăiat în discuri subțiri, ale căror suprafețe sunt netezite și lustruite.
Direcție cristalografică
Orientarea plăcuței este aleasă în funcție de caracteristicile de fabricație și electrice ale viitorului dispozitiv.
Siliciu policristalin
Când un material este alcătuit din multe granule cristaline orientate diferit, este numit policristalin.
Conductivitatea sa poate fi controlată suficient, materia primă este abundentă, iar pe suprafața sa se poate crea un strat stabil de oxid izolator
Comportament semiconductor
Siliciul nu este nici un bun conductor metalic, nici un izolator complet, astfel încât mișcarea electronilor săi poate fi controlată.
Siliciu de tip n
Impuritățile care au un electron de valență suplimentar măresc numărul electronilor liberi.
Siliciu de tip p
Impuritățile care au cu un electron de valență mai puțin creează locuri cu deficit de electroni, numite goluri.
Tranzistoare
Câmpul electric controlează dacă trece curentul printr-un canal microscopic de siliciu.
Celule solare
Lumina creează în siliciu purtători de sarcină mobili, pe care câmpul electric intern îi direcționează către circuitul electric.
Strat de dioxid de siliciu
Pe suprafața siliciului se poate crește un strat izolator rezistent de SiO₂, foarte important pentru fabricarea microcircuitelor.
Siliciul a devenit baza tehnologiei nu pentru că ar fi perfect dintr-un singur punct de vedere, ci pentru că proprietățile sale electrice, chimice, termice și de fabricație funcționează remarcabil de bine împreună.
Trei cuvinte cu sonoritate similară desemnează materiale complet diferite
Siliciu
Elementul chimic Si. Siliciul cristalin pur este un metaloid gri-închis și un semiconductor.
Dioxid de siliciu
Compusul SiO₂. El formează cuarțul și este o componentă importantă a multor nisipuri, sticle și roci.
Silicați
Un grup imens de minerale în care unitățile de siliciu și oxigen se combină cu aluminiu, magneziu, fier, calciu și alte elemente.
Silicon
O familie de polimeri sintetici în a căror catenă principală atomii de siliciu și oxigen alternează.
Sticlă
Un material format cel mai adesea din dioxid de siliciu amorf și alți oxizi, fără ordine cristalină pe distanțe mari.
Carbură de siliciu
Un compus SiC format din siliciu și carbon, caracterizat prin duritate ridicată și rezistență la căldură.
Siliciul nu este același lucru cu siliconul. Unul este un element și un semiconductor, iar celălalt este un material polimeric creat pe bază de siliciu, oxigen și grupări organice.
Elementas buvo atskirtas iš medžiagų, kurias žmonės naudojo tūkstančius metų, tačiau ilgai nežinojo jų tikrosios cheminės prigimties
Silicio vardas siejamas su lotynišku žodžiu silex, reiškusiu titnagą arba kietą silicio turtingą akmenį.
Žmonės nuo seniausių laikų naudojo titnagą, kvarcinį smėlį, molį, keramiką ir stiklą, tačiau elementinis silicis šiose medžiagose buvo chemiškai surištas.
XIX amžiaus pradžioje buvo suprasta, kad silicio dioksidas turi iki tol neišskirtą elementą. 1824 metais Jönsas Jacobas Berzelius paruošė gana gryną amorfinį silicį.
Ulterior, proprietățile siliciului cristalin au devenit tot mai importante pentru electrotehnică, iar în secolul XX acesta a devenit principalul material pentru tranzistoare și circuite integrate.
Povestea siliciului are o evoluție neobișnuită: la început se ascundea în piatră, apoi a fost separat în laborator, iar în cele din urmă a devenit materialul în care omenirea a început să stocheze și să prelucreze informații.
Cristalul care a învățat să calculeze
În roca muntelui trăia siliciul. El susținea grila cuarțului, structura feldspatului și foile de mică, însă nimeni nu-l vedea separat.
Într-o zi, oamenii l-au eliberat din legăturile cu oxigenul, l-au purificat și l-au topit.
„În ce ar trebui să devin?”, a întrebat siliciul.
„Mai întâi, învață să-ți aliniezi toți atomii într-o singură direcție”, a răspuns germenele de cristal.
Siliciul a crescut încet, până când a devenit un cristal omogen. Apoi, în grila sa au fost introduși doar câțiva atomi străini.
Într-un loc a apărut un electron suplimentar, iar în altul – un loc liber prin care acesta să se deplaseze. Între ele a început să curgă un semnal controlat.
Astfel, elementul care a construit pietre timp de miliarde de ani a învățat să calculeze, să memoreze și să transmită gânduri create de oameni.
Aceasta nu este o legendă străveche. Este o poveste creativă, inspirată de grila reală a siliciului, conductivitatea prin impurități și funcționarea microcipurilor.
Structura, conexiunea precisă și capacitatea de a crea un sistem funcțional din numeroase unități mici
În limbajul simbolic contemporan, siliciul poate fi asociat cu logica, învățarea, prelucrarea informațiilor, crearea sistemelor și formarea conștientă a conexiunilor. Aceasta este o interpretare creativă, nu un efect asupra oamenilor confirmat științific.
Cele patru conexiuni
Un element poate deveni stabil nu prin separare, ci prin conectarea precisă la mediul său.
Ordinea cristalină
Regulile mici, repetate consecvent, pot crea o structură mare și fiabilă.
Importanța impurităților
Uneori, un element nou și mic nu distruge sistemul, ci îi conferă o funcție complet nouă.
Starea semiconductorului
Nu totul trebuie să fie complet deschis sau complet închis – valoarea poate sta într-o tranziție controlată.
Semnalul
Informația capătă sens abia atunci când are o cale, o direcție și o stare clară.
De la piatră la gând
Același material poate îndeplini un rol complet diferit atunci când se schimbă nivelul său de puritate, structură și organizare.
Ritualul sistemului clar
Acest exercițiu simbolic și sobru este destinat unei activități sau unui proiect cu multe detalii distincte, dar fără o structură funcțională clară.
De ce veți avea nevoie
- o mostră de siliciu;
- o foaie de hârtie;
- pix;
- unei sarcini complexe sau a unui proiect.
Cele patru conexiuni principale
Notați cele mai importante patru componente ale proiectului, fără de care sistemul nu ar putea funcționa.
Regula grilei
Pentru fiecare componentă, scrieți o regulă clară după care trebuie să funcționeze.
Calea semnalului
Desenați cum se deplasează informația, decizia sau materialul dintr-o parte în alta.
Naudinga priemaiša
Įvardykite vieną mažą pakeitimą, kuris galėtų suteikti sistemai naują funkciją arba pašalinti didžiausią trukdį.
Užkalbėjimas
Padėkite silicį lapo centre ir tris kartus ištarkite:
Ryšius matau, tvarką kuriu,
mažais vienetais sistemą jungiu.
Užbaigimas
Pasakykite: „Man nereikia visko kurti vienu metu. Pakanka tiksliai sujungti kitą svarbiausią dalį.“
Dažniausiai kylantys klausimai apie silicį
Kas yra silicis?
Ar silicis yra metalas?
Ar silicis yra mineralas?
Kokia silicio kristalinė struktūra?
Koks silicio kietumas?
Kodėl silicis yra puslaidininkis?
Kas yra n tipo ir p tipo silicis?
Ar silicis ir silicio dioksidas yra tas pats?
Ar silicis ir silikonas yra tas pats?
Ką silicis simbolizuoja šiuolaikinėje vaizduotėje?
Silicis parodo, kaip ta pati atominė savybė gali statyti kalnus, skaidrų kvarcą, saulės elementus ir mikroskopinius logikos vartus
Gamtoje silicis beveik visada gyvena ryšiuose su deguonimi ir kitais elementais, sudarydamas milžinišką silikatų mineralų įvairovę.
Pramonėje jis išlaisvinamas iš silicio dioksido, išgryninamas ir išauginamas į tvarkingus vienkristalius.
Įterpus labai mažą tinkamų priemaišų kiekį, gardelėje atsiranda papildomų elektronų arba skylių, o elektrinis signalas tampa valdomas.
Chemijoje silicis yra keturioliktasis elementas. Simbolinėje kalboje jis gali priminti, kad sudėtingos sistemos nebūtinai gimsta iš vieno didelio sprendimo – jos atsiranda tada, kai daugybė mažų ryšių išdėstomi taip tiksliai, kad pradeda veikti kaip viena mintis.