Поликристаллический кремний
Linas JuozėnasПоделиться
Поликристаллический кремний
Поликристаллический кремний — это материал из кристаллического кремния, состоящий из множества отдельных кристаллов кремния, называемых зёрнами. В каждом зерне атомы расположены в упорядоченной алмазной решётке, однако решётки соседних зёрен повёрнуты под разными углами. В местах их встречи образуются границы зёрен. Именно эта многокристаллическая структура отличает поликристаллический кремний от монокристаллического и придаёт ему характерную мозаичную поверхность. Этот материал стал одним из важнейших промежуточных этапов между кварцевым сырьём, солнечными элементами, микроэлектроникой и сверхчистыми кристаллами кремния.
Химически это тот же кремний, однако вместо одной непрерывной кристаллической ориентации в нём существуют тысячи или миллионы меньших кристаллических областей
Чистый кристаллический кремний состоит из атомов кремния, соединённых в очень упорядоченную трёхмерную сеть. В одном кристаллическом зерне этот порядок продолжается в одной ориентации.
В поликристаллическом материале таких зёрен много. Одно может быть повернуто на несколько градусов, другое — полностью в другом направлении. Пока мы находимся внутри одного зерна, решётка остаётся упорядоченной, однако при приближении к его краю атомные ряды уже не могут продолжаться идеально.
Место встречи называется границей зерна. В ней часть атомов имеет несколько иное окружение, поэтому здесь могут концентрироваться кристаллические дефекты, примеси и электронные состояния.
На первый взгляд это различие кажется небольшим, однако для электроники оно важно: электроны и дырки движутся через идеальную кристаллическую решётку иначе, чем через множество её границ.
Суть поликристаллического кремния: каждое отдельное зерно является кристаллом, однако весь материал не представляет собой единый кристалл. Это совокупность множества кристаллов.
Кристаллическое зерно
Небольшая область кремния, в которой атомы сохраняют единую общую кристаллографическую ориентацию.
Grūdelių riba
Область, в которой встречаются две по-разному ориентированные кристаллические решётки.
Поликристаллическое целое
Множество зёрен механически срастаются, образуя цельный кусок кремния.
Серый, блестящий и хрупкий полупроводниковый материал, электрические свойства которого сильно меняются в зависимости от чистоты, примесей и размера кристаллических зёрен.
| Химический символ | Si |
|---|---|
| Тип материала | Поликристаллический элементарный полупроводник |
| Атомный номер | 14 |
| Кристаллическая структура в зерне | Алмазная кубическая структура |
| Твёрдость | Примерно 6,5–7 по шкале Мооса |
| Плотность | Около 2,33 г/см³ |
| Температура плавления | Около 1414 °C |
| Цвет | Тёмно-серый, серовато-серебристый, синевато-серый или почти чёрный |
| Блеск | Металлический или полуметаллический блеск |
| Механические свойства | Твёрдый, но хрупкий |
| Тип электронного поведения | Полупроводник |
| Ширина запрещённой зоны | Около 1,12 эВ при комнатной температуре |
| Электропроводность | Сильно зависит от температуры, чистоты и контролируемого легирования. |
| Основное структурное различие | Множество кристаллических ориентаций и разделяющие их границы зёрен |
Каждый атом кремния соединяется с четырьмя соседями, создавая тетраэдрическую сеть, похожую на структуру алмаза.
Порядок, повторяющийся в трёх направлениях
В кристаллическом кремнии у каждого атома есть четыре ближайших соседа — атома кремния. Ковалентные связи образуют пространственную сеть тетраэдров, которая определяет и геометрию кристалла, и его полупроводниковые свойства.
Четыре связи
Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона и в кристалле образует четыре прочные ковалентные связи.
Тетраэдрическая геометрия
Соседние атомы располагаются в направлениях тетраэдра, поэтому решётка не является простой кубической сеткой.
Алмазная структура
Тип решётки кремния такой же, как у алмаза, хотя атомы кремния крупнее, а связи слабее, чем в кристалле углерода.
Состояния электронов
Периодическое расположение атомов создаёт валентную зону и зону проводимости.
Промежуток полупроводника
Между валентной зоной и зоной проводимости остаётся энергетический промежуток, поэтому кремний не является ни хорошим металлом, ни обычным изолятором.
Влияние температуры
Тепло может сообщить электронам достаточно энергии для перехода в зону проводимости и повысить проводимость.
В поликристаллическом кремнии та же алмазная решётка повторяется в каждом зерне. Различается не локальный порядок атомов, а ориентация всего зерна в пространстве.
Мозаичную поверхность поликристаллического кремния создают отдельные кристаллические области, которые по-разному отражают свет из-за различной ориентации.
Одна поверхность, множество кристаллографических углов
Атомы на поверхности каждого зерна немного по-разному ориентированы относительно света, химического травления и механической обработки. Поэтому соседние участки могут выглядеть светлее, темнее или более синеватыми.
Внутри зерна
Атомный порядок здесь довольно регулярный и близок к структуре монокристалла.
Граница
При встрече двух ориентаций не все атомные связи могут продолжаться в идеальной периодической последовательности.
Кристаллические дефекты
На границах могут находиться искажённые связи, дислокации и другие несовершенства решётки.
Накопление примесей
Некоторые посторонние атомы энергетически выгоднее накапливаются на границах зёрен, чем в идеальной решётке.
Рекомбинация носителей заряда
Электроны и дырки на границах могут легче рекомбинировать, поэтому уменьшается их полезное время жизни.
Размер зёрен
Чем крупнее зёрна, тем меньше границ приходится на тот же объём материала.
Границы зёрен — это не просто видимые линии. Это настоящие кристаллические соединения, способные изменять движение электрического заряда, механический отклик и распределение примесей.
Путь от диоксида кремния до материала электронного качества требует не только расплавить кремний, но и удалить почти все посторонние примеси
Сырьё для получения диоксида кремния
Промышленный процесс обычно начинается с кварца или другого материала с очень высоким содержанием диоксида кремния.
Восстановление углеродом
При высокой температуре кислород удаляется, в результате чего получают элементарный кремний металлургического качества.
Кремний превращается в летучие соединения
Чтобы его можно было очистить с чрезвычайно высокой точностью, кремний химически превращают в соединения, которые можно дистиллировать.
Соединения очищаются
Дистилляцией отделяются вещества, температура кипения и химическое поведение которых отличаются от свойств нужного соединения кремния.
Осаждается чистый кремний
При высокой температуре газообразное соединение, содержащее кремний, разлагается, и элементарный кремний осаждается на нагретой основе.
Получают поликремний
Получается высокочистый поликристаллический кремний, который впоследствии можно расплавить и использовать для выращивания других кристаллических форм.
Термин «поликремний» в промышленности часто означает высокочистый поликристаллический кремний — сырьё, из которого впоследствии выращивают монокристаллы или отливают многокристаллические заготовки.
По мере охлаждения расплавленного кремния во многих местах одновременно возникают зародыши кристаллов, которые растут, пока не встречаются друг с другом
Кремний расплавляется
Выше температуры плавления дальний кристаллический порядок исчезает, и атомы движутся в жидком расплаве.
Температура начинает падать
При охлаждении возникают условия для повторного объединения атомов в кристаллическую алмазную решётку.
Образуется множество зародышей
В разных участках расплава начинают расти отдельные кристаллы кремния.
Кристаллы расширяются
Каждый зародыш растёт в своей кристаллографической ориентации, присоединяя всё больше атомов кремния.
Зёрна встречаются
Фронты растущих кристаллов достигают друг друга и больше не могут продолжать свои решётки без структурного компромисса.
Образуются границы зёрен
Весь материал затвердевает в единый блок, однако в нём сохраняется множество отдельных кристаллических ориентаций.
Если бы весь расплав заставили расти от одного правильно ориентированного кристаллического зародыша и другие зародыши не образовывались, можно было бы получить монокристалл. Поликристалл возникает, когда одновременно растёт множество кристаллических центров.
Поликристаллический кремний помог превратить фотоэлектрическую технологию в массовую систему производства энергии
Свет в электрическую цепь
Солнечный фотон может передать энергию электрону кремния и вывести его в зону проводимости. Правильно созданная 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- и n-типа
При контролируемом введении различных примесей создаются 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 зёрен
Часть электронов и дырок может рекомбинировать на границах, не достигнув электродов.
Крупные зёрна
Более крупные кристаллические зёрна уменьшают количество границ и обычно помогают сохранять лучшие электронные свойства.
Синяя поверхность
Характерный для многих классических поликристаллических солнечных элементов синий цвет усиливается антибликовыми поверхностными слоями.
Поликристаллический солнечный элемент не является «менее кристаллическим», чем монокристаллический. Внутри него множество настоящих кристаллов — просто их ориентации различаются, и между ними больше границ.
Тонкие слои поликристаллического кремния позволяют создавать транзисторы там, где использование массивного монокристалла необязательно
Тонкоплёночные транзисторы
Поликристаллический кремний может использоваться в тонкоплёночных транзисторах дисплеев и других электронных структурах.
Затворы микросхем
Исторически сильно легированный поликремний широко использовался в качестве электродов затворов МОП-транзисторов.
Резисторы
Контролируемое сочетание размера зёрен, легирования и геометрии слоя позволяет формировать электрические сопротивления.
Микромеханические системы
Слои поликристаллического кремния могут превращаться в микроскопические балки, мембраны и подвижные конструкции.
Датчики
Механические и электрические свойства позволяют использовать поликремний в микродатчиках давления, движения и других параметров.
Контролируемое легирование
Количество бора, фосфора или других подходящих примесей позволяет изменять концентрацию свободных носителей заряда на много порядков.
В электронике слово «поликремний» часто означает не большой блестящий кусок кремния, а очень тонкий слой поликристаллического кремния, интегрированный в сложную структуру микросхемы.
Атомы обоих материалов соединяются одинаково, однако в одном случае кристаллическая решётка продолжается почти без изменения направления, а в другом разбита на множество кристаллических областей
Монокристалл
Почти вся заготовка имеет одну общую кристаллографическую ориентацию.
Поликристалл
Заготовка состоит из множества отдельных кристаллических ориентаций.
Границы зёрен
В монокристалле их почти нет, а в поликристалле они образуют всю внутреннюю сеть.
Движение электронов
Более совершенный порядок монокристалла обычно позволяет носителям заряда двигаться с меньшим количеством структурных препятствий.
Производственный процесс
Для монокристалла необходимо контролировать рост одного кристалла, тогда как поликристаллический материал может затвердевать из множества зародышей.
Внешний вид
На поверхности поликристалла часто можно увидеть мозаичный рисунок отдельных зёрен.
Монокристалл и поликристалл — не два разных химических вещества. Оба могут быть почти чистым элементарным кремнием — различается масштаб их кристаллического порядка.
Элемент, соединения которого составляют большую часть горных пород мира, стал также одной из важнейших основ цифровой цивилизации
В природе кремний почти никогда не встречается в виде крупных кристаллов чистого элемента, поскольку очень легко соединяется с кислородом. Кварц, полевые шпаты и множество силикатов хранят его в окисленном состоянии.
Промышленная история кремния началась со способности отделять кремний от кислорода и других элементов, а позднее — с его всё более совершенной очистки.
Электронной революции требовался не просто кремний, а кремний исключительно высокой чистоты с контролируемой кристаллической структурой. Даже очень небольшое количество нежелательных элементов может существенно изменить электрические свойства полупроводника.
Производство поликремния стало связующим звеном между химией сырья и инженерией кристаллов. Из очищенного поликремния можно отливать заготовки для солнечных элементов или выращивать крупные монокристаллы для микроэлектроники.
Так один из наиболее распространённых элементов земной коры стал материалом, в котором важны не изобилие, а структура и чистота, контролируемые с необычайной точностью.
Технологическая ценность кремния возникла тогда, когда люди научились не только извлекать его, но и контролировать практически каждый аспект его кристалла — от примесей до ориентации атомов.
Город из множества кристаллов
В жидком кремнии почти одновременно зародилось несколько маленьких кристаллов.
Каждый начал расти в своём направлении.
«Если мы все не повернуты одинаково, мы никогда не станем единым телом», — сказал первый кристалл.
Но температура продолжала падать, а кристаллы расширялись.
Наконец их края встретились.
Решётки не совпали идеально. Между ними возникла граница.
«Видишь?» — сказал первый. «Мы всё ещё разные».
«Да», — ответил второй. «Но теперь наша граница — не промежуток. Она стала местом, где мы соединились».
Когда весь расплав затвердел, идеального единственного кристалла не было. Их были миллионы — и все вместе они стали одним работающим материалом.
Tai nėra sena legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikro polikristalinio silicio grūdelių augimo.
Daugelio krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu sukurti didesnę sistemą, kuri veikia tik dėl visų jos dalių
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integracija ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai patvirtintas poveikis žmogui.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savą kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Skirtumas tarp dviejų žmonių ar idėjų gali tapti ne tik konfliktu, bet ir tikra jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali atsirasti vienu metu daugelyje vietų ir vėliau susijungti į vieną sistemą.
Полупроводник
Gebėjimas valdyti, kada energija teka ir kada sustoja, gali simbolizuoti sąmoningas ribas bei kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunama energija gali būti ne tik sugeriama, bet ir paverčiama naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti savo skirtingų dalių – kartais jos būtent ir sukuria įdomiausią struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kurioje turite kelis skirtingus darbus, gebėjimus ar žmones ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą nepriversdami visų tapti vienodais.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norite geriau sutvarkyti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelis atskirus plotus ir kiekviename įrašykite vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Prie kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kokios krypties jai nereikėtų priverstinai keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sandūrą, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Stipresnė jungtis
Pasirinkite vieną mažą pakeitimą, kuris pagerintų būtent šią ribą: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Užkalbėjimas
Padėkite polikristalinį silicį ant schemos centro ir tris kartus ištarkite:
Kryptis išlaikau, ribas sujungiu,
iš daugelio dalių veikiančią visumą kuriu.
Užbaigimas
Pasakykite: „Vienybė nereikalauja vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš galiu sustiprinti vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai kylantys klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Kokia jo cheminė formulė?
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 для солнечных элементов?
Используется ли поликремний в микроэлектронике?
Что символизирует поликристаллический кремний в современном воображении?
Поликристаллический кремний показывает, что одну функциональную структуру можно создать не устраняя различия, а точно упорядочивая места, где встречаются разные направления.
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 встретившись, они образуют границы зёрен и вместе становятся одним твёрдым поликристаллическим телом.
В мире технологий этот материал объединяет химию, физику кристаллов, солнечную энергетику и микроэлектронику. На языке символов он может напоминать, что сложное целое не обязательно должно иметь одно направление — иногда его сила возникает потому, что множество разных кристаллов учится существовать в одном теле.