Кремний
Linas JuozėnasПоделиться
Кремний
Кремний — химический элемент, обозначаемый символом Si и имеющий атомный номер 14. В природе он почти никогда не встречается в чистом виде, поскольку легко соединяется с кислородом и другими элементами. Поэтому чаще всего мы встречаем кремний в кварце, полевых шпатах, слюдах, глинистых минералах и множестве других силикатов. Очищенный до исключительно высокой степени и выращенный в виде цельного кристалла, он становится управляемым полупроводником, из которого изготавливают микросхемы, датчики и солнечные элементы.
Элемент с четырьмя связями, способный стать каркасом горной породы или точно управляемым путём для электронов
Атом кремния имеет четыре валентных электрона. Это позволяет ему образовывать четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами.
В чистом кристаллическом кремнии каждый атом соединяется с четырьмя другими атомами кремния и создаёт трёхмерную решётку алмазного типа.
В природе кремний чаще соединяется с кислородом. Тетраэдры кремния и кислорода могут быть отдельными, соединёнными в цепи, кольца, листы или сплошные каркасы.
Суть кремния: те же четыре возможные связи позволяют ему создавать и огромное разнообразие силикатов в земной коре, и упорядоченный полупроводниковый кристалл в электронике.
Четыре валентных электрона
Они позволяют кремнию образовывать прочную сеть из четырёх связей.
Положение металлоида
Кремний обладает свойствами как металлов, так и неметаллов, поэтому занимает промежуточное положение.
Контролируемая проводимость
Чистый кремний обладает ограниченной проводимостью, однако его электрические свойства можно очень точно изменять с помощью небольших примесей.
Твёрдый, хрупкий и серый блестящий кристалл, проводимость которого зависит от температуры, света и примесей
| Химический символ | Si |
|---|---|
| Атомный номер | 14 |
| Класс элемента | Металлоид |
| Кристаллическая структура | Алмазная кубическая решётка |
| Твёрдость | Примерно 6,5–7 по шкале Мооса |
| Плотность | Примерно 2,33 г/см³ |
| Температура плавления | Около 1414 °C |
| Температура кипения | Около 3265 °C |
| Блеск | Металлический или полуметаллический |
| Цвет | Тёмно-серый, стально-серый или голубовато-серый |
| Излом | Раковистый; материал хрупкий |
| Электронное свойство | Полупроводник с шириной запрещённой зоны около 1,12 эВ при комнатной температуре |
| Изменение проводимости | Увеличивается при повышении температуры, воздействии света или введении подходящих примесей |
Один из важнейших строительных элементов планеты, однако почти всегда скрытый в соединениях
Кварц
Диоксид кремния SiO₂ образует кварц, аметист, цитрин, горный хрусталь и множество других разновидностей кварца.
Полевые шпаты
Каркасы из кремния, алюминия, кислорода и металлов образуют одну из наиболее многочисленных групп минералов земной коры.
Слюды
Силикатные слои позволяют этим минералам легко расщепляться на тонкие пластинки.
Глинистые минералы
При выветривании силикатов образуются чрезвычайно мелкие листовые частицы, важные для почвы и осадков.
Пироксены и амфиболы
Их силикатные цепи важны для магматических и метаморфических пород.
Природный кремний
Свободный элементарный кремний в природе встречается очень редко, поскольку легко вступает в реакции и превращается в оксиды или силикаты.
Большую часть минеральной архитектуры земной коры можно понять, наблюдая, как тетраэдры кремния и кислорода соединяются во всё более сложные формы.
От диоксида кремния в горной породе до сверхчистого материала, в котором контролируется практически каждая примесь
Выбирают диоксид кремния
Для производства используют кварц или очень чистый кварцевый песок.
Диоксид кремния восстанавливают
При высокой температуре в электрической печи кислород удаляют с помощью углеродсодержащего материала.
Получают металлургический кремний
Образуется серая масса элементарного кремния, в которой всё ещё слишком много примесей для чувствительной электроники.
Кремний превращают в летучее соединение
Промежуточное химическое соединение можно перегонять и отделять от множества загрязнителей.
Осаждается сверхчистый кремний
Из очищенного газообразного соединения получают поликристаллический материал очень высокой чистоты.
Материал подготавливают к выращиванию кристалла
Кремний плавят в контролируемой среде и используют для формирования монокристаллических или поликристаллических заготовок.
Кварц в природе может быть почти прозрачным, однако электронике требуется не просто красивое сырьё. Нужна такая чистота, чтобы даже ничтожное количество нежелательного элемента не нарушало электрические свойства.
Огромный кристалл выращивают так, чтобы миллиарды атомов продолжали единую общую ориентацию решётки
От расплава к пластине
Монокристаллический цилиндр нарезают на очень тонкие круглые пластины, называемые кремниевыми пластинами. Позднее на них создают транзисторы, токопроводящие дорожки и другие электронные структуры.
Кристаллическая затравка
Небольшой точно ориентированный кристалл кремния соприкасается с поверхностью расплавленного материала.
Медленное вытягивание
Затравку вращают и поднимают, а присоединяющиеся к ней атомы продолжают формировать ту же кристаллическую решётку.
Монокристаллический цилиндр
При правильном контроле температуры и скорости вытягивания вырастает длинный кристалл с единой ориентацией.
Резка пластин
Цилиндр нарезают тонкими дисками, поверхность которых выравнивают и полируют.
Кристаллографическое направление
Ориентацию пластины выбирают с учётом будущих производственных и электрических свойств устройства.
Поликристаллический кремний
Когда материал состоит из множества по-разному ориентированных кристаллических зёрен, его называют поликристаллическим.
Его проводимость достаточно хорошо управляется, сырьё широко доступно, а на поверхности можно создать стабильный изолирующий слой оксида
Полупроводниковые свойства
Кремний не является ни хорошим металлическим проводником, ни полным изолятором, поэтому движением его электронов можно управлять.
Кремний n-типа
Примеси с дополнительным валентным электроном увеличивают число свободных электронов.
Кремний p-типа
Примеси, у которых на один валентный электрон меньше, создают области с недостатком электронов, называемые дырками.
Транзисторы
Электрическое поле управляет прохождением тока через микроскопический кремниевый канал.
Солнечные элементы
Свет создаёт в кремнии подвижные носители заряда, которые внутреннее электрическое поле направляет в электрическую цепь.
Слой диоксида кремния
На поверхности кремния можно выращивать прочный изолирующий слой SiO₂, крайне важный для производства микросхем.
Кремний стал основой технологий не потому, что в каком-то одном отношении идеален, а потому, что его электрические, химические, термические и производственные свойства исключительно хорошо сочетаются.
Три похожих по звучанию слова обозначают совершенно разные материалы
Кремний
Химический элемент Si. Чистый кристаллический кремний — тёмно-серый металлоид и полупроводник.
Диоксид кремния
Соединение SiO₂. Оно образует кварц и является важной составляющей многих песков, стёкол и горных пород.
Силикаты
Огромная группа минералов, в которой соединения кремния и кислорода связаны с алюминием, магнием, железом, кальцием и другими элементами.
Силикон
Семейство синтетических полимеров, в основной цепи которых чередуются атомы кремния и кислорода.
Стекло
Преимущественно аморфный материал из диоксида кремния и других оксидов, не имеющий дальнего кристаллического порядка.
Карбид кремния
Соединение SiC, состоящее из кремния и углерода и обладающее высокой твёрдостью и термостойкостью.
Кремний — не то же самое, что силикон. Первый является элементом и полупроводником, а второй — полимерным материалом на основе кремния, кислорода и органических групп.
Элемент был выделен из материалов, которые люди использовали тысячи лет, однако долгое время они не знали их истинной химической природы
Название кремния связано с латинским словом silex, означавшим кремень или твёрдый камень, богатый кремнием.
С древнейших времён люди использовали кремень, кварцевый песок, глину, керамику и стекло, однако элементарный кремний в этих материалах был химически связан.
В начале XIX века было понято, что диоксид кремния содержит элемент, который до этого не удавалось выделить. В 1824 году Йёнс Якоб Берцелиус получил довольно чистый аморфный кремний.
Позже свойства кристаллического кремния стали всё важнее для электротехники, а в XX веке он стал основным материалом для транзисторов и интегральных схем.
История кремния имеет необычную дугу: сначала он скрывался в камне, затем был выделен в лаборатории, а в конце сам стал материалом, в котором человечество начало хранить и обрабатывать информацию.
Кристалл, научившийся считать
В горной породе жил кремний. Он поддерживал кварцевую решётку, каркас полевого шпата и слюдяные пластины, но никто не видел его отдельно.
Однажды люди освободили его от связей с кислородом, очистили и расплавили.
«Чем мне стать?» — спросил кремний.
«Сначала научись выстроить все свои атомы в одном направлении», — ответил зародыш кристалла.
Кремний медленно рос, пока не превратился в единый кристалл. Затем в его решётку внедрили всего несколько чужеродных атомов.
В одном месте появился дополнительный электрон, а в другом — пустое место для его движения. Между ними начал течь управляемый сигнал.
Так элемент, миллиарды лет создававший камни, научился считать, запоминать и передавать мысли, созданные людьми.
Это не древняя легенда. Это творческий рассказ, вдохновлённый настоящей кристаллической решёткой кремния, примесной проводимостью и работой микросхем.
Структура, точная связь и способность создать работающую систему из множества малых единиц
В современном символическом языке кремний может ассоциироваться с логикой, обучением, обработкой информации, созданием систем и осознанным формированием связей. Это творческая интерпретация, а не научно подтверждённое воздействие на человека.
Четыре связи
Один элемент может стать стабильным не в изоляции, а лишь благодаря точному соединению с окружающей средой.
Кристаллический порядок
Небольшие правила, последовательно повторяемые, могут создать большую и надёжную структуру.
Важность примесей
Небольшой новый элемент иногда не разрушает систему, а наделяет её совершенно новой функцией.
Полупроводниковое состояние
Не всё должно быть полностью открытым или полностью закрытым — ценность может заключаться в управляемом переходе.
Сигнал
Информация становится осмысленной только тогда, когда у неё есть путь, направление и ясное состояние.
От камня к мысли
Один и тот же материал может выполнять совершенно разную роль, если изменить качество его чистоты, структуры и организации.
Ритуал ясной системы
Эта сухая символическая практика предназначена для работы или проекта, в котором много отдельных деталей, но ещё нет ясной работающей структуры.
Что понадобится
- одного образца кремния;
- листа бумаги;
- ручки;
- одной сложной задачи или проекта.
Четыре основных связи
Запишите четыре важнейшие части проекта, без которых система не могла бы работать.
Правило решётки
Для каждой части запишите одно чёткое правило, по которому она должна работать.
Путь сигнала
Нарисуйте, как информация, решение или материал перемещаются из одной части в другую.
Полезная примесь
Назовите одно небольшое изменение, которое могло бы придать системе новую функцию или устранить самое большое препятствие.
Заклинание
Положите кремний в центр листа и трижды произнесите:
Я вижу связи, создаю порядок,
соединяю систему малыми единицами.
Завершение
Скажите: «Мне не нужно создавать всё сразу. Достаточно точно соединить следующую важнейшую часть».
Часто задаваемые вопросы о кремнии
Что такое кремний?
Кремний — это металл?
Кремний — это минерал?
Какова кристаллическая структура кремния?
Какова твёрдость кремния?
Почему кремний является полупроводником?
Что такое кремний n-типа и p-типа?
Кремний и диоксид кремния — это одно и то же?
Кремний и силикон — это одно и то же?
Что символизирует кремний в современном воображении?
Кремний показывает, как одно и то же атомное свойство может создавать горы, прозрачный кварц, солнечные элементы и микроскопические логические элементы
В природе кремний почти всегда находится в соединениях с кислородом и другими элементами, образуя огромное разнообразие силикатных минералов.
В промышленности его извлекают из диоксида кремния, очищают и выращивают из него упорядоченные монокристаллы.
При добавлении очень небольшого количества подходящих примесей в решётке появляются дополнительные электроны или дырки, а электрический сигнал становится управляемым.
В химии кремний — четырнадцатый элемент. В символическом языке он может напоминать, что сложные системы не обязательно рождаются из одного большого решения — они возникают тогда, когда множество малых связей выстроено настолько точно, что начинает работать как единая мысль.