Поликристаллический кремний
Linas JuozėnasПоделиться
Поликристаллический кремний
Поликристаллический кремний — кристаллический материал из кремния, состоящий из множества отдельных кристаллов кремния, называемых зёрнами. В каждом зерне атомы расположены в упорядоченной кубической решётке типа алмаза, однако решётки соседних зёрен повёрнуты под разными углами. В местах их соприкосновения образуются границы зёрен. Именно эта поликристаллическая структура отличает поликристаллический кремний от монокристаллического и придаёт ему характерную мозаичную поверхность. Этот материал стал одним из важнейших промежуточных звеньев, связывающих кварцевое сырьё, солнечные элементы, микроэлектронику и сверхчистые кристаллы кремния.
С химической точки зрения это тот же кремний, однако вместо единой непрерывной кристаллической ориентации в нём есть тысячи или миллионы более мелких кристаллических областей
Чистый кристаллический кремний состоит из атомов кремния, соединённых в чрезвычайно упорядоченную трёхмерную сеть. Внутри одного кристаллического зерна этот порядок сохраняет одинаковую ориентацию.
Поликристаллический материал состоит из множества таких зёрен. Одно может быть повёрнуто на несколько градусов, а другое — ориентировано совершенно иначе. Внутри зерна решётка сохраняет упорядоченность, но ближе к его краю ряды атомов уже не могут продолжаться совершенно правильно.
Область их соприкосновения называется границей зерна. Локальное окружение некоторых атомов там немного отличается, поэтому в этих областях могут скапливаться дефекты кристаллической структуры, примеси и электронные состояния.
На первый взгляд это различие может показаться небольшим, однако в электронике оно очень важно: в почти идеальной кристаллической решётке электроны и дырки движутся иначе, чем в материале, пронизанном множеством границ зёрен.
Суть поликристаллического кремния: каждое отдельное зерно является кристаллом, однако весь материал не представляет собой единый кристалл. Это сообщество множества кристаллов.
Кристаллическое зерно
Небольшая область кремния, в которой атомы сохраняют единую кристаллографическую ориентацию.
Граница зёрен
Область, в которой встречаются две по-разному повёрнутые кристаллические решётки.
Поликристаллическое целое
Множество зёрен механически срастаются друг с другом, образуя единый сплошной кусок кремния.
Серый, блестящий, хрупкий полупроводник, электрические свойства которого сильно зависят от чистоты, примесей и размера кристаллических зёрен
| Химический символ | Si |
|---|---|
| Тип материала | Поликристаллический элементарный полупроводник |
| Атомный номер | 14 |
| Кристаллическая структура внутри зерна | Алмазоподобная кубическая структура |
| Твёрдость | Примерно 6,5–7 по шкале Мооса |
| Плотность | Около 2,33 г/см³ |
| Температура плавления | Около 1414 °C |
| Цвет | Тёмно-серый, серебристо-серый, голубовато-серый или почти чёрный |
| Блеск | От металлического до полуметаллического |
| Механические свойства | Твёрдый, но хрупкий |
| Электронный тип | Полупроводник |
| Ширина запрещённой зоны | Около 1,12 эВ при комнатной температуре |
| Электропроводность | Сильно зависит от температуры, чистоты и контролируемого легирования |
| Главное структурное отличие | Множество кристаллов различной ориентации, разделённых границами зёрен |
Каждый атом кремния соединяется с четырьмя соседними атомами, образуя тетраэдрическую сеть, похожую на структуру алмаза
Порядок, повторяющийся в трёх измерениях
В кристаллическом кремнии у каждого атома четыре ближайших соседа — атома кремния. Ковалентные связи образуют трёхмерную тетраэдрическую сеть, определяющую как геометрию кристалла, так и его полупроводниковые свойства.
Четыре связи
У каждого атома кремния четыре валентных электрона, и в кристалле он образует четыре прочные ковалентные связи.
Тетраэдрическая геометрия
Соседние атомы расположены по направлениям тетраэдра, поэтому решётка не является простой кубической сеткой.
Структура алмаза
Тип решётки кремния по существу такой же, как у алмаза, хотя атомы кремния крупнее, а связи слабее, чем в кристалле углерода.
Электронные состояния
Периодическое расположение атомов приводит к образованию валентной зоны и зоны проводимости.
Запрещённая зона полупроводника
Между валентной зоной и зоной проводимости остаётся запрещённая энергетическая зона, поэтому кремний не является ни хорошо проводящим металлом, ни обычным изолятором.
Влияние температуры
Нагрев может придать электронам достаточно энергии для перехода в зону проводимости и повышения электропроводности.
В поликристаллическом кремнии в каждом зерне повторяется одна и та же алмазоподобная кубическая решётка. Различается не локальный порядок атомов, а ориентация всего зерна в пространстве.
Поверхность поликристаллического кремния, напоминающая мозаику, состоит из отдельных кристаллических областей, которые по-разному отражают свет из-за различной ориентации
Одна поверхность, множество кристаллографических углов
Атомы на поверхности каждого зерна немного по-разному ориентированы относительно направлений падающего света, химического травления и механической обработки. Поэтому соседние области могут выглядеть светлее, темнее или более голубыми.
Внутри зерна
Здесь расположение атомов довольно упорядочено и очень напоминает структуру монокристалла.
Граница
В месте встречи областей с разной ориентацией не все атомные связи могут продолжать полностью периодическую последовательность.
Дефекты кристалла
На границах могут присутствовать искажённые связи, дислокации и другие дефекты решётки.
Накопление примесей
Некоторым посторонним атомам энергетически выгоднее накапливаться на границах зёрен, чем внутри идеальной решётки.
Рекомбинация носителей заряда
На границах электроны и дырки могут легче рекомбинировать, поэтому сокращается время их полезной жизни.
Размер зерна
Чем крупнее зёрна, тем меньше границ в том же объёме материала.
Границы зёрен - это не просто видимые линии. Это настоящие стыки кристаллических областей, которые могут влиять на перенос заряда, механическую реакцию и распределение примесей.
Чтобы получить из диоксида кремния материал требуемой для электроники чистоты, нужно не только расплавить кремний, но и удалить почти все нежелательные примеси
Сырьё из диоксида кремния
Промышленный процесс производства обычно начинается с кварца или другого материала с высоким содержанием диоксида кремния.
Восстановление углеродом
При высокой температуре удаляют кислород и получают элементарный кремний металлургической чистоты.
Кремний превращают в летучие соединения
Чтобы очистить кремний с высокой точностью, его химически превращают в соединения, которые можно дистиллировать.
Очистка соединений
Дистилляцией отделяют вещества, температура кипения и химические свойства которых отличаются от целевого соединения кремния.
Осаждение чистого кремния
При высокой температуре газообразное соединение кремния разлагается, а элементарный кремний осаждается на нагретой подложке.
Получение поликремния
Получают материал из высокочистого поликристаллического кремния, который впоследствии можно расплавить и использовать для выращивания других кристаллических форм.
В промышленности термин поликремний часто означает высокочистый поликристаллический кремний - сырьё, из которого впоследствии можно выращивать монокристаллы или отливать мультикристаллические слитки.
По мере охлаждения расплавленного кремния во многих местах одновременно появляются кристаллические зародыши, которые растут, пока не соприкоснутся
Кремний расплавляется
При превышении температуры плавления дальний кристаллический порядок исчезает, а атомы движутся в жидком расплаве.
Температура начинает снижаться
По мере охлаждения расплава создаются условия для повторного объединения атомов в алмазоподобную кубическую кристаллическую решётку.
Образуется множество зародышей
В разных местах расплава начинают расти отдельные кристаллы кремния.
Кристаллы увеличиваются
Каждый зародыш растёт в собственной кристаллографической ориентации, присоединяя всё больше атомов кремния.
Зерна соприкасаются
Фронты растущих кристаллов встречаются и уже не могут продолжать свои решётки без структурного компромисса.
Образуются границы зерен
Весь материал затвердевает в единый цельный блок, однако внутри него сохраняется множество различных кристаллографических ориентаций.
Если бы весь расплав кристаллизовался из одного правильно ориентированного кристаллического затравочного кристалла и не образовывались дополнительные зародыши, можно было бы получить монокристалл. Поликристалл образуется, когда одновременно растёт множество центров кристаллизации.
Поликристаллический кремний помог превратить фотоэлектрическую технологию в систему массового производства энергии
От света к электрической цепи
Фотон солнечного света может передать энергию электрону кремния и возбудить его в зону проводимости. Правильно сформированная область электрического поля отделяет электрон от оставшейся дырки и направляет заряд во внешнюю цепь.
Поглощение фотонов
Свет с достаточной энергией может создать подвижный электрон и положительный носитель заряда — дырку.
Кремний p-типа и n-типа
Вводя контролируемые количества различных легирующих примесей, можно создавать области с разной концентрацией носителей заряда.
p–n-переход
Электрическое поле, возникающее на границе двух областей, помогает разделять носители заряда, созданные светом.
Потери на границах зерен
Часть электронов и дырок может рекомбинировать на границах зерен, не успев достичь электродов.
Крупные зерна
Более крупные кристаллические зерна уменьшают количество границ и обычно помогают сохранять лучшие электронные свойства.
Синяя поверхность
Синий цвет, характерный для многих классических поликристаллических солнечных элементов, усиливают антибликовые покрытия поверхности.
Поликристаллический солнечный элемент не «менее кристаллический», чем монокристаллический. Он состоит из множества настоящих кристаллов — просто их ориентации различаются, а между ними больше границ.
Тонкие слои поликристаллического кремния позволяют создавать транзисторы там, где не нужен объёмный монокристалл
Тонкоплёночные транзисторы
Поликристаллический кремний можно использовать в тонкоплёночных транзисторах дисплеев и других электронных структур.
Затворы интегральных схем
Раньше сильно легированный поликремний широко использовался в качестве материала затворов МОП-транзисторов.
Резисторы
Контролируя сочетание структуры зерен, легирования и геометрии слоя, можно формировать электрические резисторы.
Микромеханические системы
Слои поликристаллического кремния могут образовывать микроскопические балки, мембраны и подвижные структуры.
Датчики
Благодаря своим механическим и электрическим свойствам поликристаллический кремний можно использовать в микродатчиках давления, движения и других параметров.
Контролируемое легирование
Количество бора, фосфора или других подходящих легирующих примесей может изменить концентрацию свободных носителей заряда на несколько порядков.
В электронике слово поликремний часто обозначает не большой блестящий кусок кремния, а очень тонкий слой поликристаллического кремния, интегрированный в сложную структуру микросхемы.
В обоих материалах атомы связаны одинаково, однако в одном кристаллическая решетка продолжается почти без изменения направления, а в другом она разделена на множество кристаллических областей
Монокристалл
Кристаллографическая ориентация почти всего слитка одинакова.
Поликристалл
Слиток состоит из множества областей с разной кристаллографической ориентацией.
Границы зерен
В монокристалле их почти нет, а в поликристалле они образуют обширную внутреннюю сеть.
Перенос электронов
Более совершенный порядок монокристалла обычно позволяет носителям заряда перемещаться, встречая меньше структурных препятствий.
Способ роста
Чтобы получить монокристалл, необходимо контролировать рост одного кристалла, тогда как поликристаллический материал может затвердевать из множества центров кристаллизации.
Внешний вид
На поверхности поликристаллического материала часто виден мозаичный рисунок, образованный отдельными зернами.
Монокристаллический и поликристаллический кремний - не два разных химических вещества. Оба могут состоять почти из чистого элементарного кремния - различается масштаб кристаллического порядка.
Элемент, соединения которого составляют значительную часть мира горных пород, также стал одной из важнейших основ цифровой цивилизации
В природе кремний почти никогда не встречается в виде крупных кристаллов чистого элемента, поскольку он очень легко соединяется с кислородом. В кварце, полевых шпатах и бесчисленных силикатных минералах он находится в окисленном состоянии.
Промышленная история кремния началась с умения отделять его от кислорода и других элементов, а затем были разработаны все более совершенные методы его очистки.
Для революции в электронике нужен был не просто кремний, а сверхчистый кремний с контролируемой кристаллической структурой. Даже очень небольшое количество нежелательных элементов может значительно изменить электрические свойства полупроводника.
Производство поликристаллического кремния стало связующим звеном между химией сырья и инженерией кристаллов. Из расплава очищенного поликристаллического кремния можно формировать слитки для солнечных элементов или выращивать крупные монокристаллы для микроэлектроники.
Так один из самых распространенных элементов земной коры стал материалом, для которого распространенность менее важна, чем исключительно точный контроль структуры и чистоты.
Кремний приобрел технологическую ценность, когда люди научились не только его извлекать, но и контролировать почти каждый аспект его кристаллов - от примесей до ориентации атомов.
Город множества кристаллов
В расплавленном кремнии почти одновременно зародилось несколько маленьких кристаллов.
Каждый начал расти в своем направлении.
«Если мы все не будем ориентированы одинаково, то никогда не станем единым целым», - сказал первый кристалл.
Но температура продолжала падать, а кристаллы все росли.
Наконец их края соприкоснулись.
Их решетки не совпадали идеально. Между ними появилась граница.
«Видишь? - сказал первый. - Мы все еще разные».
«Да, - ответил второй. - Но теперь наша граница - не промежуток. Она стала местом, где мы соединились».
Когда весь расплав затвердел, идеального кристалла не оказалось. Их были миллионы – и вместе они стали одним работающим материалом.
Это не древняя легенда. Это творческое повествование, вдохновлённое реальным ростом зёрен в поликристаллическом кремнии.
Единство множества направлений, способность сохранять особую структуру и одновременно создавать более крупную систему, работающую благодаря всем своим частям
В современной символической трактовке поликристаллический кремний может ассоциироваться с сотрудничеством, созданием сложных систем, объединением разных навыков и пониманием того, что единство не обязательно означает единообразие. Это творческая интерпретация, а не научно доказанное воздействие на людей.
Отдельное зерно
Каждая часть жизни человека может иметь своё направление и при этом оставаться частью большего целого.
Граница зёрен
Различие между двумя людьми или идеями может стать не только источником конфликта, но и самой точкой их соединения.
Кристаллизация
Порядок может возникать одновременно во многих местах, а затем складываться в единую систему.
Полупроводник
Способность контролировать, когда энергия течёт, а когда её поток прекращается, может символизировать сознательно установленные границы и целенаправленные действия.
Солнечный элемент
Энергию, полученную извне, можно не только поглощать, но и превращать в полезную работу.
Мозаичное целое
Сложная система не должна скрывать различия между своими частями – порой именно они создают её самую интересную структуру.
Ритуал общей структуры
Эта простая символическая практика предназначена для ситуации, когда у вас есть несколько разных задач, навыков или людей и вы хотите понять, как объединить их в единую работающую систему, не заставляя все части становиться одинаковыми.
Что понадобится
- образца поликристаллического кремния;
- листа бумаги;
- ручки;
- одной системы или проекта, который вы хотели бы организовать эффективнее.
Зёрна
Нарисуйте на листе несколько отдельных областей и впишите в каждую по одной части проекта, человеку, навыку или обязанности.
Направления
Рядом с каждой частью отметьте, что она делает лучше всего и какое её направление не следует насильно менять.
Границы
Между соседними областями укажите, какие сведения, ресурсы или решения должны передаваться из одной в другую.
Дефектные участки
Отметьте один интерфейс, на котором сейчас теряется больше всего времени, энергии или ясности.
Более прочная связь
Выберите одно небольшое изменение, которое улучшит взаимодействие на этой конкретной границе: более чёткое правило, более эффективная передача информации или более простой процесс.
Слова для повторения
Поместите поликристаллический кремний в центр диаграммы и трижды произнесите:
Я сохраняю каждое направление и укрепляю каждую связь,
из множества отдельных частей я создаю работающую целостность, которая превосходит их.
Завершение
Произнесите: «Единство не требует единообразия. Каждая часть может сохранять своё направление, а я укрепляю места, где они встречаются.»
Часто задаваемые вопросы о поликристаллическом кремнии
Что такое поликристаллический кремний?
Какова его химическая формула?
Чем поликристаллический кремний отличается от монокристаллического?
Что такое граница зерна?
Является ли каждое зерно поликристаллического кремния настоящим кристаллом?
Какова твёрдость кремния?
Какова его плотность?
Почему поликристаллический кремний выглядит как мозаика?
Что такое поликремний?
Используется ли поликристаллический кремний в солнечных элементах?
Почему границы зёрен важны в солнечных элементах?
Используется ли поликремний в микроэлектронике?
Что символизирует поликристаллический кремний в современном воображении?
Поликристаллический кремний показывает, что работающую структуру можно создать не устраняя различия, а тщательно организуя места встречи разных направлений
Его история начинается с того же атома кремния, который в природе чаще всего скрывается в кварце и силикатных минералах.
Очищенный и расплавленный кремний при охлаждении начинает кристаллизоваться сразу во многих местах.
Каждый кристалл растёт в своём направлении, а встречаясь, они образуют границы зёрен и вместе становятся единым твёрдым поликристаллическим телом.
В мире технологий этот материал объединяет химию, физику кристаллов, солнечную энергетику и микроэлектронику. В символическом смысле он может напоминать, что сложному целому не обязательно иметь одно направление — иногда его сила раскрывается благодаря тому, что множество разных кристаллов учатся существовать в одном теле.