Silicis
Linas JuozėnasDeliti
Silicis: tetraedrinis elementas, siejantis akmenį, stiklą, šviesą ir logiką
Silicis susieja du mastelius, kurie retai aptariami pasakojant apie tą pačią medžiagą. Žemės plutoje jis sudaro karkasus, grandines, sluoksnius ir atskirus tetraedrus, kurių centre yra deguonis ir iš kurių susidaro kvarcas, lauko špatas, molis, žėrutis, piroksenas, amfibolas ir daugybė kitų mineralų. Išgrynintas iki elementinės formos, tas pats atomas tampa tiksliai kontroliuojamu puslaidininkiu, kurio laidumą galima keisti itin mažais boro, fosforo ir kitų panašių legiruojančių priemaišų kiekiais. Jo vertę lemia ne metalo gausa ar brangakmenio spalva, o struktūra: keturi kovalentiniai ryšiai, stabilus oksidas, keičiamas draustinės juostos plotis ir gamybos sistema, leidžianti ant poliruoto kristalo paviršiaus suformuoti milijardus įtaisų.
Trumpi faktai
Elementarni silicij je kovalentno vezan polprevodnik, ne običajna kovina. Njegova polirana površina je lahko videti kovinska, vendar ga električne lastnosti, krhek prelom, optična absorpcija in kristalna struktura, v kateri ima vsak atom štiri sosede, uvrščajo v drugo kategorijo materialov. Skoraj ves silicij, ki ga najdemo v naravi, je kemijsko vezan s kisikom in drugimi elementi; vzorci elementarnega silicija, primerni za zbirke, so običajno prečiščeni ali vzgojeni v laboratoriju.
| Izraz | Pomen | Ključna razlika |
|---|---|---|
| Silicij | Kemijski element Si v obliki elementarne snovi, zlitine, kristalinične, polikristalinične ali amorfne snovi. | Elementarni silicij ni niti kremen niti prožni silikonski polimer. |
| Silicijev dioksid | Silicijev dioksid, SiO₂, se pojavlja v oblikah kremena, tridimita, kristobalita, koezita, stišovita, opala, stekla in sorodnih snovi. | Silicijev dioksid vsebuje kisik, njegove lastnosti pa se močno razlikujejo od lastnosti elementarnega silicija. |
| Silikat | Velika skupina mineralov in snovi, katerih osnovo strukture tvorijo tetraedri silicija in kisika, povezani s kovinami in drugimi kationi. | Glinenec, sljuda, glina, piroksen, amfibol, olivin in granat so silikati, ne pa elementarni silicij. |
| Silikon | Družina sintetičnih polisiloksanskih snovi, v katerih se v glavni polimerni verigi izmenjujejo atomi silicija in kisika. | Silikoni so lahko podobni gumi, tekoči, smolnati ali lepljivi; niso elementarni silicij. |
| Silicijev karbid | SiC je trda kovalentna keramika, ki jo v naravi najdemo kot redek moissanit, proizvaja pa se v različnih oblikah za tehnično uporabo. | Je trši in gostejši, njegove optične lastnosti pa se razlikujejo od lastnosti elementarnega silicija. |
| Polisilicij | Visoko čisti polikristalni silicij, nanesen v obliki palic, kosov ali zrnc za proizvodnjo polprevodniških in fotovoltaičnih izdelkov. | Ime označuje številna kristalna zrna, ne pa polimera, ki vsebuje silicij. |
| Monokristalni silicij | En sam kristal, katerega kristalografska orientacija je enaka po celotni uporabljeni prostornini. | Večina rezin za integrirana vezja je izdelana iz skrbno vzgojenih monokristalnih ingotov. |
| Amorfni silicij | Nekristalinični silicij, nanesen kot tanek film, se običajno hidrogenira, da se zmanjša število elektronskih napak. | Zanj ni značilen dolgoročni red diamantne kubične strukture v kristalni rezini. |
Istovetnost, ime in meja med elementom ter mineralom
Silicij je element, ne pa splošno ime za vse snovi, ki vsebujejo silicij. Ta razlika je pomembna, saj je elementarni silicij temen, neprosojen, krhek polprevodnik z diamantno kubično strukturo, kremen pa je prozoren ali polprozoren silicijev dioksid, silikon pa sintetični polimer.
Izvor imena sega do besed, povezanih s kremenom in trdim kamnom. Zgodnji kemiki so razumeli, da silicijev dioksid verjetno vsebuje neznan element, še dolgo preden so ga znali izolirati. Sodobna angleška oblika silicon je bila sprejeta, še preden so bili na voljo dovolj čisti vzorci za podrobne fizikalne raziskave.
O naravnem elementarnem siliciju so poročali pri raziskavah redkih meteoritov in močno reduktivnih okolij na Zemlji, vendar so takšne najdbe običajno mikroskopske in jih je treba potrditi z analitičnimi raziskavami. Vzorec v velikosti dlani z oznako »silicij« je skoraj vedno industrijski material: metalurški silicij, polikristalni silicij, kristal, vzgojen iz taline, rezina ali obdelana komponenta.
Elementarni silicij
Kovalentni kristal, sestavljen samo iz atomov silicija, brez dopantov, nečistoč, površinskega oksida in plasti, nastalih med obdelavo.
Silicijev dioksid
Kristalne, steklaste, opalne ali visokotlačne oblike silicijevega dioksida. Njegov kisikov skelet določa povsem drugačne optične in kemijske lastnosti.
Silikatni minerali
Minerali, v katerih se tetraedri silicija in kisika povezujejo z aluminijem, magnezijem, železom, kalcijem, natrijem, kalijem in drugimi elementi.
Silicijeve zlitine
Ferrosilicij ter aluminijeve in silicijeve zlitine vsebujejo precej silicija, vendar imajo lastnosti večfaznih kovinskih materialov, ne čistih polprevodnikov.
Silikoni
Industrijsko proizvedeni polimeri, katerih prožnost, tesnilne lastnosti, toplotno stabilnost in površinske lastnosti določa glavna veriga Si–O z organskimi stranskimi skupinami.
Zbirateljska terminologija
V opisih je treba navesti, ali je vzorec metalurške čistosti, polikristalni silicij, monokristalni, polikristalni, material za rezine, prevlečen, dopiran ali obdelan.
Atomska arhitektura: zakaj štiri vezi spremenijo vse
Pri običajnem tlaku ima kristalni silicij kubično strukturo diamantnega tipa. Vsak atom se veže s štirimi sosednjimi atomi, ki so razporejeni v smereh proti ogliščem tetraedra. To odprto, usmerjeno omrežje pojasnjuje krhkost silicija, njegovo cepljivost, polprevodniško pasovno strukturo, razmeroma majhno gostoto in nenavadno raztezanje pri strjevanju.
Tetraedrična koordinacija
Vsak atom silicija tvori štiri močne kovalentne vezi, katerih idealni medsebojni kot je približno 109,5°. Ta geometrija se v kristalu ponavlja v treh dimenzijah.
Kubična mreža diamantnega tipa
To strukturo lahko opišemo kot dve kubični ploskovno centrirani podmreži, ki se prepletata in sta medsebojno zamaknjeni.
Luščenje in lom
Monokristali se lahko cepijo vzdolž ravnin {111}. Na odlomkih so vidne tudi ukrivljene školjkaste lomne površine, zlasti tam, kjer lom ne poteka po eni sami jasni ravnini.
Raztezanje pri strjevanju
V tekočem siliciju so atomi razporejeni gosteje kot v odprti tetraedrski zgradbi trdnega silicija, zato se snov pri strjevanju razširi – to je nenavadna lastnost, značilna tudi za vodo in nekaj sorodnih snovi.
Visokotlačne strukture
Pod izjemno visokim tlakom se silicij spremeni v gostejše faze s kovinskimi lastnostmi. To kaže, da električne lastnosti niso odvisne le od sestave, temveč tudi od razporeditve atomov.
Izotopska sestava
V naravnem siliciju prevladuje ²⁸Si, ²⁹Si in ³⁰Si pa je manj. Izotopsko čiščenje je pomembno v natančni metrologiji in nekaterih raziskavah kvantnih naprav.
Monokristal
Ena neprekinjena kristalografska orientacija omogoča napovedovanje elektronskega prenosa, nadzor nad cepljenjem in ponovljivo izdelavo naprav.
Polikristalni silicij
Številna različno usmerjena zrna se stikajo na mejah, ki lahko ujamejo naboj, sipajo nosilce naboja, kopičijo primesi ali olajšajo lomljenje.
Amorfni silicij
Ni dolgosežne urejenosti. Pri uporabi v tankoplastni elektroniki se številne viseče vezi običajno pasivirajo z vodikom.
Porozni in nanostrukturirani silicij
Z nadzorovanim jedkanjem ali rastjo nastanejo pore, žice, delci in fotonske strukture, katerih lastnosti se razlikujejo od lastnosti masivnega kristala.
Silicij na Zemlji: tetraedri, preperevanje, sediment in življenje
Silicij je po masi drugi najpogostejši element v Zemljini skorji, vendar je večina vezana na kisik. Tetraeder SiO₄ je ena najpomembnejših strukturnih enot v mineralogiji; ti tetraedri se povezujejo na različne načine in tvorijo kamnine od plašča do površja celin.
| Strukturna razporeditev | Kako se tetraedri povezujejo | Značilni materiali |
|---|---|---|
| Samostojni tetraedri | Vsaka enota SiO₄ ostane ločena, z drugimi pa je povezana prek drugih kationov. | Olivin, granat, cirkon in številni minerali plašča ali metamorfni minerali. |
| Dvojne skupine in obroči | Tetraedri si delijo nekatere atome kisika in tvorijo dvojne enote ali zaprte obroče. | Strukture skupine epidota, beril, turmalin in sorodni minerali. |
| Enojne verige | Kiekvienas tetraedras siūlių grandinėje deli du deguonies atomus. | Piroksenai, tokie kaip augitai, diopsidai ir enstatitai. |
| Dvigubos grandinės | Dvi tetraedrų grandinės periodiškai susijungia į platesnes juostas. | Amfibolai, tokie kaip ragėžiai ir tremolitai. |
| Sluoksniai | Kiekvienas tetraedras dalijasi trimis deguonies atomais ir sudaro plačius sluoksnius. | Sluoksniniai silikatai, molio mineralai, talkas, serpentinai ir chloritai. |
| Skeletai | Vsi štirje ogli tetraedra sodelujejo v tridimenzionalni mreži. | Glinenci, feldšpatoidi, zeoliti, kremen in kremenovo steklo. |
Magmatske kamnine
Vsebnost silicija in nasičenost s silicijevim dioksidom pomagata določati viskoznost magme, mineralno združbo, značaj izbruha in to, ali bodo kristalizirali kremen, glinenec, piroksen, olivin ali feldšpatoidi.
Preperevanje in tla
Pri preperevanju silikatov se sprošča raztopljena silicijeva kislina in nastajajo glineni minerali, v geoloških obdobjih pa se porablja atmosferski ogljikov dioksid.
Pesek in sedimenti
Kremen se ohrani skozi številne cikle preperevanja in se kopiči v pesku, peščenjaku, obalnih sedimentih, sipinah in rečnih sistemih.
Biogeni silicijev dioksid
Kremenaste alge, radiolarije, številne spužve in rastlinski fitoliti tvorijo strukture iz hidratiranega ali amorfnega silicijevega dioksida, prevzetega iz vode ali tal.
Obnašanje silicija v Zemljini notranjosti
V plašču je silicij del visokotlačnih silikatov. Pri še višjem tlaku se koordinacija spremeni in stabilne postanejo goste strukture.
Diageneza silicijevega dioksida
Biogeni opal in vulkansko steklo, pokopana pod sedimenti, se lahko preobrazita v opal-CT, kalcedon ali kremen, pri čemer se spreminjata poroznost in trdnost kamnine.
Fizikalne, toplotne, kemijske in optične lastnosti
Referenčne vrednosti so odvisne od temperature, orientacije kristala, koncentracije nečistoč, gostote nosilcev naboja, strukture zrn in površinske obdelave. Zato so lastnosti monokristala polprevodniške kakovosti ponovljivejše kot lastnosti kosa metalurškega silicija, ki vsebuje železo, aluminij, kalcij, ogljik in druge nečistoče.
| Lastnost | Značilna vrednost ali vedenje | Praktični pomen |
|---|---|---|
| Atomsko število | 14. | Določa položaj silicija v 3. periodi med aluminijem in fosforjem ter v skupini ogljika. |
| Standardna atomska masa | 28,085. | Odraža naravno mešanico treh stabilnih izotopov. |
| Kristalni sistem | Kubična, diamantna struktura; prostorska skupina Fd3̅m. | Določa razkolnost, anizotropne mehanske lastnosti, elektronske energijske pasove in orientacijo ploščice. |
| Gostota | Približno 2,329 g/cm³ pri temperaturi blizu sobne. | Lažji od galenita, hematita, silicijevega karbida in večine podobnih materialov s kovinskim videzom. |
| Trdota | Približno 6,5–7 po Mohsovi lestvici. | Odporen proti praskam z običajnim jeklom, vendar ga lahko opraskajo kremen, korund, diamant in trdi abrazivni prah. |
| Razkolnost in lom | Izrazita razkolnost po ploskvah {111}; v drugih smereh je lom školjkast ali neenakomeren. | Tanke ploščice in ostri drobci se lahko ob upogibanju ali pritisku na rob nenadoma zlomijo. |
| Tališče | Približno 1414 °C. | Omogoča gojenje kristalov iz taline, vendar so za to potrebni nadzorovani sistemi za proizvodnjo kristalov, odporni proti visokim temperaturam. |
| Vrelišče | Približno 3265 °C. | Pomemben pri visokotemperaturni obdelavi in nadzoru onesnaženja v parni fazi. |
| Toplotna prevodnost | Pri visokokakovostnem monokristalu in temperaturi blizu sobne temperature znaša približno 148 W/m·K. | Velik v primerjavi z drugimi polprevodniki in keramiki podobnimi trdnimi snovmi, vendar manjši kot pri bakru ali srebru. |
| Toplotno raztezanje | Majhen; njegovo usmerjenost omejuje kubična kristalna mreža. | Uporaben je v natančnih napravah, čeprav lahko zaradi temperaturnih gradientov rezina vseeno poči. |
| Širina prepovedane cone | Posredna prepovedana cona, katere širina pri sobni temperaturi znaša približno 1,12 eV. | Primeren je za elektroniko in pretvarjanje sončne energije v električno, vendar svetlobo oddaja manj učinkovito kot polprevodniki z neposredno prepovedano cono. |
| Optika vidne svetlobe | Močno absorbira svetlobo in je v običajni masivni obliki videti neprozoren. | Polirane rezine pod površinskimi premazi so videti temno sive, rjavkasto sive ali skoraj črne. |
| Infrardeča optika | Visok lomni količnik in za praktično uporabo primerna prepustnost v nekaterih območjih bližnjega in srednjega infrardečega sevanja. | Omogoča izdelavo infrardečih leč, okenc, tipal in naprav za integrirano fotoniko. |
| Naravni površinski oksid | Na zraku se spontano tvori tanka plast silicijevega oksida; debelejšo, kakovostno oksidno plast v industriji zrastejo ali nanesejo. | Pasivira površino in tvori tehnološko pomemben spoj. |
| Kemijske lastnosti | Zaradi površinskega oksida je v vodi stabilen in pri sobni temperaturi odporen proti številnim kislinam; nanj vplivajo specializirana jedkala in močne baze. | Čiščenje z gospodinjskimi sredstvi običajno ni potrebno; tako lahko poškodujete prevleke ali metalizacijske plasti. |
Fizika polprevodnikov: nosilci naboja, dopanti, spoji in medfazne meje
Čisti kristalni silicij ima pri sobni temperaturi v primerjavi s kovino zelo malo gibljivih nosilcev naboja. Njegova praktična uporabnost se pokaže, ko temperatura, svetloba, električna polja in skrbno izbrane primesi spremenijo število elektronov in vrzeli ter njihovo gibanje.
Lastni silicij
Toplotna energija občasno prenese elektron čez prepovedani pas in za seboj pusti gibljivo nezasedeno stanje, imenovano vrzel. Elektronov in vrzeli je enako.
Silicij tipa n
Donorski atomi, kot so fosfor, arzen ali antimon, oddajajo elektrone, ki se po kristalu gibljejo lažje kot lastni nosilci naboja.
Silicij tipa p
Akceptorski atomi, najpogosteje bora, ustvarijo gibljive luknje, ki v strukturi valenčnega pasu delujejo kot nosilci pozitivnega naboja.
Spoj p–n
Kjer se stikata območji tipa p in tipa n, se zaradi prerazporeditve naboja ustvari notranje električno polje. Delovanje diod, fotodiod, tranzistorjev in sončnih celic je odvisno od lastnosti tega spoja.
Stik MOS
V nadzorovanih pogojih oblikovana plast oksida ali podobnega dielektrika ločuje elektrodno zaporo od silicija. Električna polja na spoju nato ustvarijo ali odpravijo prevodni kanal.
Napake in pasti
Vakance, dislokacije, primesi, meje zrn, nezasedene vezi in kontaminirane površine lahko ujamejo naboj ali skrajšajo življenjsko dobo nosilcev naboja.
| Stanje materiala | Prevladujoči nosilci naboja | Kako se pridobiva | Običajna uporaba |
|---|---|---|---|
| Lastni silicij | Enako število elektronov in lukenj, nastalih zaradi toplote. | Izjemno čist kristal brez namerno vnesenih električno aktivnih dopantov. | Referenčna točka za vrednotenje lastnosti, material za detektorje in izhodiščna osnova za načrtovanje naprav. |
| Silicij tipa n | Elektroni. | Namerno dopiranje z donorskimi primesmi, pogosto s fosforjem, arzenom ali antimonom. | Območja tranzistorjev, kontakti, diode, senzorji in strukture sončnih celic. |
| Silicij tipa p | Luknje. | Namerno dopiranje z akceptorskimi primesmi, najpogosteje z borom. | Podlage, območja tranzistorjev, spoji, senzorji in fotovoltaične naprave. |
| Kompenzirani silicij | Odvisno je od ravnovesja med donorskimi in akceptorskimi atomi. | Prisotni sta obe vrsti dopantov, vneseni namerno ali zaradi kontaminacije. | Natančno uravnavanje specifične upornosti ali kompenzacija vpliva neželenih primesi. |
| Degenerirano dopiran silicij | Zelo velika koncentracija elektronov ali lukenj. | Močno dopiranje med implantacijo, difuzijo ali rastjo kristala. | Kontakti z nizko upornostjo in območja, ki imajo deloma lastnosti prevodnikov. |
Od kremena do kristala za elektroniko
Proizvodnja silicija je zaporedje korakov, v katerih se vse natančneje nadzorujeta kemična sestava in struktura. Kremen se reducira v metalurški silicij, ta se očisti z uporabo hlapnih spojin, izloči kot polisilicij, kristalizira v ingot, razreže na rezine, nato pa se v njem skozi več sto strogo nadzorovanih tehnoloških korakov oblikujejo strukture.
- Karbotermajska redukcijaKremen ali kvarcit visoke čistosti reagira z ogljikom v peči s potopljenim električnim oblokom. Poenostavljena skupna reakcija: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silicij metalurške čistostiV izdelku, pridobljenem v peči, je običajno približno 98–99 % silicija, vsebnost nečistoč pa je še vedno precej previsoka za napredno elektroniko.
- Kemijska pretvorbaSilicij se s kemičnimi reakcijami pretvori v hlapne klorosilane ali silan, zato ga je mogoče večkrat destilirati in kemično čistiti.
- Nanašanje polisilicijaPrečiščeni plini se razgradijo na segretih površinah ali v sistemih z vrtinčeno plastjo in tvorijo izjemno čiste palice ali granule.
- Rast kristalovZ vlečenjem kristala po Czochralskem ali s čiščenjem z metodo brezlončnega conskega taljenja dobimo monokristale z nadzorovanimi lastnostmi; z litjem ali usmerjenim strjevanjem pa dobimo polikristalni material.
- Izdelava rezinPred izdelavo naprav se ingoti orientirajo in razrežejo na rezine, njihovi robovi se zaoblijo, površine pa zgladijo, jedkajo in polirajo.
Kremen se reducira pri visoki temperaturi
V kemijskih reakcijah v električni peči ogljikovi materiali odstranijo kisik, pri čemer nastane staljeni silicij z nadzorovano, vendar še vedno visoko vsebnostjo nečistoč.
Silicij se pretvori v pline, primerne za čiščenje
Hlapne spojine omogočajo, da se z obdelavo s kemikalijami ločijo bor, fosfor, kovine, ogljikove kemične spojine in drugi onesnaževalci.
Nanaša se izjemno čisti polisilicij
Visoka čistost, izražena z velikim številom devetic, je dosežena zato, ker se v vsakem koraku obdelave odstranijo ali ločijo nečistoče, ki bi sicer spremenile življenjsko dobo nosilcev naboja in specifično upornost.
Določi se orientacija kristala
Semenski kristal usmerja rast, tako da se v rastočem ingotu ohrani izbrana orientacija in nadzoruje koncentracija dopantov.
Ingot se pretvori v rezine
Z žičnim žaganjem dobimo tanke diske. Z obdelavo robov, kemičnim jedkanjem in kemično-mehanskim poliranjem ustvarimo ravno površino z malo napakami.
Naprave se oblikujejo v plasteh
Z oksidacijo, nanašanjem, litografijo, jedkanjem, implantacijo, difuzijo, čiščenjem, žarjenjem in metalizacijo se po celotni rezini oblikujejo elektronske strukture.
Industrijske oblike, vrste kristalov in zbirateljski primerki
Vzorci elementarnega silicija so običajno proizvodni izdelki, ne pa najdbe z geoloških odprav. Zato so najkoristnejši podatki o njihovem izvoru industrijski: proizvodni postopek, razred čistosti, način rasti, kristalna orientacija, prevleka, proizvajalec, datum in prvotni namen.
Metalurški silicij
Temni, jekleno sivi kosi s svetlečimi lomnimi površinami, neenakomerno porazdeljenimi primesmi, steklastim lomom in včasih modrikasto ali bronasto površinsko prevleko.
Polisilicijeva palica
Visoko čisti naneseni silicij z matirano, grčasto, zrnato ali cvetači podobno površino okoli osrednje niti.
Zrnca polikristalnega silicija
Drobni sipki delci, izdelani tako, da jih je mogoče preprosto obdelovati in taliti pri gojenju kristalov ali izdelavi fotonapetostnih naprav.
Monokristalni ingot
Cilindrični ali drugače oblikovan kristal, pri katerem so orientacija, premer, vsebnost kisika, vrsta dopanta in specifična električna upornost skrbno nadzorovani.
Zrcalno polirana ploščica
Tanka, izjemno ravna ploščica z zarezo ali ravnim odsekom roba za določanje orientacije. Barvo lahko povzročajo oksidne, nitridne, fotorezistne ali večplastne prevleke.
Večkristalna ploščica
Rezina, ki vsebuje veliko kristalnih zrn, pogosto vidnih zaradi jedkanih mej, usmerjene teksture ali različnih odsevov.
Dendritni silicij
Razvejane kristalne oblike, vzgojene iz taline z nadzorovanim ohlajanjem, ne pa nastale z običajno naravno rastjo mineralov.
Plast amorfnega silicija
Tanka nanesena plast, ki se uporablja v elektroniki, detektorjih, zaslonih in fotonapetostnih strukturah, ne pa kot samostojen zbirateljski kristal.
Silicij, pridobljen po Czochralskijevi metodi
Pridobiva se iz taline silicijevega dioksida v lončku. Vsebnost kisika je mogoče nadzorovati, kar vpliva na mehansko trdnost in obnašanje napak.
Silicij, pridobljen z metodo conskega taljenja brez lončka
Ozko staljeno območje drsi vzdolž palice brez uporabe lončka, pri čemer nastane silicij z izjemno nizko vsebnostjo kisika in visoko specifično električno upornostjo.
Večkristalni silicij za sončne celice
Tradicionalno so ga ulivali v bloke, ki vsebujejo veliko kristalnih zrn. Zaradi mej med zrni in primesi sta potrebna pasivacija in skrbno načrtovanje sončnih celic.
Tehnološko obdelan čip
Odrezan košček ploščice s tranzistorji, senzorji, povezovalnimi vodniki, optičnimi strukturami ali testnimi vzorci. Vidne barve večinoma povzročajo površinske plasti.
Zgodovinska ploščica
Ploščica z dokumentiranim poreklom, povezana s prepoznavnim raziskovalnim programom, proizvodno linijo, generacijo naprav ali ustanovo, ima lahko tehnološki pomen, ki presega njeno materialno vrednost.
Redka silicijeva kepica
Naravna zrna elementarnega silicija so običajno mikroskopska, zaznavna z analitskimi metodami in vključena v meteorit ali nenavadno matrico zemeljskega izvora, ne pa naprodaj kot veliki samostojni kristali.
Površinska kemija, barve tankih plasti in infrardeča svetloba
Neprevlečeni silicij po naravi ni živo moder, vijoličen ali zlat. Te barve običajno nastanejo, ko se svetloba odbija tako od zgornje kot od spodnje meje tanke prozorne plasti. Že majhne spremembe debeline oksida ali nitrida močno spremenijo interferenčno barvo.
Naravni oksid
Ob stiku z zrakom nastane zelo tanka plast oksida, ki kemično pasivira površino, vendar je lahko pretanka, da bi ustvarila izrazito vidno barvo.
Termični oksid
Z nadzorovano oksidacijo nastane gosta plast SiO₂, katere debelino je mogoče meriti z optičnimi metodami in jo prilagoditi za izolacijo, maskiranje ter uravnavanje površinskih lastnosti.
Silicijev nitrid
Prevleke Si₃N₄ se uporabljajo za pasivacijo, uravnavanje mehanskih napetosti, maskiranje in zmanjšanje odboja. Njihove interferenčne barve so lahko podobne barvam oksida ali še izrazitejše.
Fotorezist in procesne plasti
Organski fotorezisti, kovine, dielektriki in večplastne strukture ustvarjajo dodatne barve, ki ne odražajo barve samega elementarnega silicija v razsutem stanju.
Prosojnost za infrardeče sevanje
Pod absorpcijskim robom dovolj čist silicij prepušča del infrardečega spektra in ima visok lomni količnik.
Absorpcija prostih nosilcev naboja
Pri močnem dopiranju nastanejo gibljivi nosilci naboja, ki absorbirajo infrardeče sevanje in zožijo uporabno optično okno.
| Opaženi znak | Verjeten vzrok | Kaj upoštevati pri ocenjevanju |
|---|---|---|
| Enakomerno jekleno siv lomni površini | Sveža površina elementarnega silicija z malo dekorativne površinske plasti. | Metalurške nečistoče lahko potemnijo površino ali povzročijo njeno lisavost. |
| Modra, vijolična, rožnata ali jantarna rezina | Interferenca tankih plasti, ki jo povzročajo oksid, nitrid, fotorezist ali večplastna obdelava. | Sama barva ne razkriva vrste dopanta, čistosti ali namena naprave. |
| Zrcalno črna polirana površina | Absorpcija vidne svetlobe v kombinaciji z izjemno ravno odbojno površino. | Temen videz ne pomeni, da je material amorfen ali nečist. |
| Matna polikristalna površina | Daug smulkių kristalinių sienelių, grūdelių ribų, nusodintų gumburėlių arba cheminio ėsdinimo. | Tekstūra gali atsirasti gamybos metu, o ne dėl natūralios kristalizacijos. |
| Radialinės arba sūkurinės žymės ant plokštelės | Poliravimas, valymas, netolygus nusodinimas, kristalo augimo ruoželiai arba technologinio proceso likučiai. | Norint atskirti gamybos pėdsakus nuo pažeidimų, gali prireikti profesionalaus mikroskopinio tyrimo. |
| Taisyklinga įranta arba tiesi briaunos atkarpa | Gamybos metu suformuotas orientavimo ir tvarkymo elementas. | Tai nėra natūralaus skilimo pažeidimas. |
Taikymo sritys: nuo uolienas sudarančių junginių chemijos iki programuojamų paviršių
Silicio reikšmė gerokai peržengia kompiuterių procesorių ribas. Jo junginiai vyrauja geologinėse medžiagose, o išgrynintas elementinis silicis naudojamas energijai keisti, jutikliuose, mechanikoje, optikoje, chemijoje ir tiksliesiems matavimams.
Stiklas ir keramika
Iš silicio dioksido ir silikatų gaminami langų stiklai, pluoštai, optinis stiklas, porcelianas, ugniai atsparios medžiagos, glazūros, laboratoriniai indai ir techninė keramika.
Cementas ir betonas
Kalcio silikatai lemia didžiąją dalį portlandcemenčio hidratacijos ir betono stiprio didėjimo.
Integriniai grandynai
Silicio plokštelėse kuriamos loginės, atminties, analoginės elektronikos, galios valdymo, ryšių ir mišriųjų signalų sistemos.
Fotovoltika
Kristalinis silicis sugeria saulės šviesą, sandūrose atskiria šviesos sukurtus krūvininkus ir tebėra daugumos įprastų saulės modulių pagrindas.
MEMS ir jutikliai
Iš mikromechaniškai apdoroto silicio gaminami akcelerometrai, slėgio jutikliai, mikrofonai, giroskopai, skysčių valdymo sistemos ir rezonansinės struktūros.
Infraraudonoji optika ir fotonika
Didelis lūžio rodiklis ir infraraudonosios spinduliuotės pralaidumas leidžia kurti bangolaidžius, moduliatorius, detektorius, lęšius ir integrinius optinius grandynus.
Metalurginiai lydiniai
Silicis gerina liejamąsias savybes, deoksiduoja plieną, keičia aliuminio lydinių savybes ir įeina į karščiui atsparių silicidų sudėtį.
Silikoninės medžiagos
Pramoninės silicio chemijos galutiniai produktai apima sandariklius, elastomerus, tepalus, kapsuliavimo medžiagas, medicinai tinkamas medžiagas ir karščiui atsparius polimerus.
Tikslioji metrologija
Ypač gryni, kontroliuojamos izotopinės sudėties silicio kristalai ir rutuliai naudojami matmenims matuoti ir fundamentinėms konstantoms tirti.
Kvantiniai įtaisai
Izotopiškai išgrynintas silicis gali sumažinti magnetinį triukšmą aplink sukiniu pagrįstas kvantines būsenas ir suteikti gerai išplėtotą gamybos platformą.
Prepoznavanje in materiali, ki jih najpogosteje zamenjujemo
Masivni elementarni silicij najzanesljiveje prepoznamo po kombinaciji znakov: nizki gostoti za material kovinskega videza, krhkem školjkastem lomu, temno sivi barvi, trdi površini, odsotnosti kovinske kovnosti in industrijskem izvoru. Izdelane rezine je lažje prepoznati po geometriji, zarezi, poliranju in tehnoloških plasteh kot s terenskimi preizkusi.
Zaporedje neporušitvenega pregleda
Preden preizkusite eno bleščečo površino, preglejte celoten predmet. Embalaža industrijskega materiala, oznake, sledi obdelave, orientacijske zareze in pripadajoča oprema lahko razkrijejo več kot sam lom.
- Določite vrsto predmetaLočite silicij, pridobljen v talilnici, polisilicij, monokristal, rezino, čip, prevlečeno podlago, zlitino ali imitacijo.
- Kakovostno ocenite gostotoSilicij se zdi nepričakovano lahek v primerjavi s galenitom, hematitom, jeklom ali silicijevim karbidom podobne velikosti.
- Preglejte geometrijo lomaPoiščite školjkaste ukrivljenosti, ostre robove, odbojne ploskve in raznolike meje zrn.
- Preglejte sistem površinskih plastiUgotovite, ali barvo daje oksid, nitrid, kovina, rezist, onesnaževalci ali dekorativni premaz.
- Poiščite zrnato strukturoV polikristaliničnem materialu so lahko vidne kristalne meje, zrna, segregirane nečistoče in nepravilne poti loma.
- Preverite magnetne lastnostiČisti silicij ni feromagneten; močna reakcija lahko kaže na ferosilicij, prilepljeno kovino ali onesnaženje.
- Izogibajte se preizkusom praskanja na rezinahPreizkusi trdote poškodujejo polirane površine in lahko povzročijo razpoke, ki se začnejo na robu.
- Po potrebi uporabite analizne metodeRamanova spektroskopija, rentgenska difrakcija, meritve specifične električne upornosti, meritve prepustnosti infrardečega sevanja in metode analize sestave lahko potrdijo identiteto materiala in njegovo tehnološko stanje.
| Material | Zakaj ga je mogoče zamenjati s silicijem | Uporabni razlikovalni znaki |
|---|---|---|
| Kremen ali kremenovo steklo | Podobna trdota, školjkast lom in kemična sestava z visoko vsebnostjo silicija. | Kremen in kremenovo steklo sta SiO₂, običajno prozorna ali polprosojna in nekovinska; elementarni silicij je temen in ne prepušča vidne svetlobe. |
| Silicijev karbid | Temen kovalentni material s kovinskim ali mavričnim sijajem na površinah. | SiC je precej trši in gostejši; pogosto ima izrazitejši umetni mavrični sijaj ali ploščate kristale. |
| Galenitas | Švino pilkumo metalinė išvaizda ir trapumas. | Galenitas yra daug sunkesnis, minkštesnis ir pasižymi tobulu kubiniu skalumu. |
| Hematitas | Plieno pilkumo paviršiai, pasižymintys metaliniu arba pusiau metaliniu blizgesiu. | Hematitas yra tankesnis ir palieka raudonai rudą bruožą. |
| Grafitas | Tamsiai pilka spalva, pusiau metalinis blizgesys ir elektrinis laidumas. | Grafitas yra labai minkštas, riebus liesti, palieka tamsią žymę ir skyla į lanksčius žvynelius. |
| Ferosilicis | Pramoniniai tamsūs metalinio blizgesio luitai, kuriuose gausu silicio. | Didesnis tankis, galimos magnetinės savybės, metalinio lydinio fazės ir cheminė sudėtis, kurioje yra daug geležies. |
| Metalinis stiklas arba šlakas | Tamsus, šviesą atspindintis lūžio paviršius ir netaisyklinga pramoninio gaminio forma. | Burbuliukai, tekėjimo tekstūra, kintamas tankis, mišri sudėtis ir kristaliniam siliciui būdingų požymių nebuvimas. |
| Dengta stiklo plokštelė | Plokščias apskritas padėklas su spalvingomis plonosiomis plėvelėmis. | Šviesos pralaidumas ties kraštu, mažesnis tankis, lūžimo pobūdis ir optiniai tyrimai padeda atskirti stiklą nuo silicio. |
Išskyrimas, puslaidininkių mokslas ir silicio technologinės platformos iškilimas
Silicio istorija driekiasi nuo mineralų analizės iki cheminio išskyrimo, nuo trapios laboratorinės medžiagos iki itin gryno kristalo ir nuo pavienių lygintuvų iki integruotųjų sistemų. Lemiamas lūžis buvo ne vien elemento atradimas, bet ir gebėjimas valdyti jo grynumą, paviršių, kristalo defektus ir tarpfazines ribas.
Silicio dioksidas atpažįstamas kaip nežinomo elemento oksidas
Chemikai suprato, kad kvarce ir giminingose medžiagose yra komponentas, atsparus įprastiems redukcijos būdams, tačiau jį išskirti tebebuvo sunku, nes silicis sudaro stiprius ryšius su deguonimi.
Gaunamas negrynas silicis ir susiformuoja angliškas jo pavadinimas
Per ankstyvuosius redukcijos bandymus buvo gauta silicio turinti medžiaga, o angliškas pavadinimas „silicon“ pakeitė formas, tiesiogiau sudarytas pagal metalinių elementų pavadinimų pavyzdį.
Jönsas Jacobas Berzelius išskiria amorfinį silicį
Berzelius gavo ir aprašė gerokai grynesnę elementinę medžiagą, padėdamas pagrindą silicio cheminei tapatybei nustatyti.
Gaunamas kristalinis silicis
Henri Sainte-Claire Deville’is gavo kristalinį silicį, todėl tapo lengviau tirti jo blizgesį, trapumą ir struktūrą.
Silicis tampa elektroninių detektorių medžiaga
Taškinio kontakto įtaisai ir kristaliniai detektoriai parodė lyginimo reiškinį dar prieš tai, kai didelio grynumo kristalų auginimas sudarė sąlygas šiuolaikinei puslaidininkių inžinerijai.
Visoko čisti silicij utira pot tranzistorjem in praktično uporabnim sončnim celicam
Čiščenje, nadzor dopantov, oblikovanje spojev in gojenje kristalov so utrdili položaj silicija kot vse bolj praktične alternative germaniju.
Pasivacija površin, planarna tehnologija in naprave MOS preoblikujejo proizvodnjo
Nadzorovana mejna ploskev med silicijem in oksidom je omogočila zaščito površin, fotolitografsko oblikovanje obrisov naprav in ustvarjanje integriranih vezij z visoko gostoto elementov.
Uporaba silicija se širi na fotovoltaiko, MEMS, fotoniko, meroslovje in kvantne raziskave
Ista proizvodna platforma se zdaj uporablja za pretvorbo energije, mehanske senzorje, optična vezja, kristale z nadzorovano izotopsko sestavo in naprave nanometrskih dimenzij.
Silicij je postal temeljni material ne zato, ker bi bil v naravnem stanju posebej prevoden. To vlogo je pridobil, ker je mogoče njegov prevodnost, površino, geometrijo in mejne ploskve izjemno natančno nadzorovati.
Vrednotenje, izvor in relativni pomen
Univerzalnega sistema za vrednotenje zbirateljskega silicija ni. Za neobdelan talilniški ingot, polisilicijevo palico, monokristal za raziskave, proizvodno rezino, čip z vzorcem vezja, zgodnjo sončno celico, zgodovinsko integrirano vezje in redek naravni zrnček veljajo različna merila vrednotenja.
Identiteta materiala
Ugotovite, ali gre za elementarni silicij, zlitino, silicijev karbid, prevlečeno steklo, tehnološko obdelan polprevodnik ali drug industrijski material.
Kristalna oblika
Zabeležite, ali je vzorec monokristalen, polikristalen, dendritski, v obliki amorfnega filma, porozen, razpokan, razrezan, poliran ali naparjen.
Celovitost površine
Preverite odkruške robov, razpoke vzdolž cepilnih ravnin, praske, motnost, prstne odtise, barvo oksida, razslojevanje, korozijo in poškodbe metalizacijske plasti.
Tehnološki izvor
Proizvajalec, metoda gojenja, kraj proizvodnje, kristalografska orientacija rezine, dopant, specifična električna upornost, premer, datum in predvidena uporaba so lahko pomembnejši od brezhibnega videza.
Zgodovinski kontekst
Raziskovalne oznake, generacija proizvodne tehnologije, ustanova, vrsta naprave, ohišje in dokumentacija lahko pomagajo določiti tehnološki pomen.
Naravni izvor
Za utemeljitev trditev, da gre za naravno najdeni silicij, so potrebni najdišče, kamnina, v kateri je bil najden, analitični dokazi in ohranjena prvotna matrica.
| Vrsta predmeta | Ključne lastnosti | Kaj preveriti |
|---|---|---|
| Kos metalurškega silicija | Značilen zlom, industrijski izvor, tekstura nečistoč, velikost in stabilna površina. | Ali je bila zamenjana s ferosilicijem, ali vsebuje žlindro, prevleko ali oksidacijo, ali ima ostre robove in ali je vir izvora dokumentiran. |
| Polikristalna silicijeva palica ali granula | Morfologija nanašanja, dokumentacija o čistosti, proizvodna metoda in nepoškodovana struktura. | Kontaminacija, sledi rokovanja, pretrgana nit, prevleka in zavajajoče trditve o naravnem kristalu. |
| Monokristalna rezina | Premer, orientacija, zareza, debelina, poliranje, primes za dopiranje, specifična upornost in metoda rasti. | Odkruški na robovih, mikrorazpoke, ukrivljenost, praske, kontaminacija, prevleka in neznana zgodovina obdelave. |
| Rezina z vzorčnim zapisom | Vzorčni zapis naprave ali preizkusa, kontekst izdelave, datum, razporeditev čipov, dokumentacija in ohranjenost površine. | Korodirana kovina, razslojeni filmi, ostanki fotorezista, odlomljen rob in nepopolni podatki o izvoru. |
| Zgodovinski čip ali vezje | Prepoznavna funkcija, proizvajalec, datum, ohišje, ustanova in tehnološki kontekst. | Spremenjeno ohišje, odstranjene oznake, ponarejeno označevanje, prekinjene povezave in manjkajoča dokumentacija. |
| Vzorec samorodnega silicija | Naravna matrica, natančno najdišče, analitična potrditev, merilo in zgodovina objav. | Industrijska kontaminacija, material iz talilnice, udarni drobir, umetno vključevanje in neutemeljeno pripisovanje izvora. |
Nega, shranjevanje, razstavljanje in varnost v delavnici
Masivni elementarni silicij je v običajnih notranjih razmerah kemično stabilen, vendar so njegovi robovi krhki, obdelane površine pa lahko vsebujejo občutljive okside, nitride, kovine, polimere ali strukture naprav. Nego je treba prilagoditi celotnemu predmetu, ne le silicijevi podlagi.
Masivni kosi
Kose nepravilnih oblik hranite v oblazinjenih držalih, zaščitite jih pred padci, ostre lomne robove pa držite stran od sosednjih vzorcev in rok.
Neprevlečene rezine
Primite jih za rob s čistimi rokavicami ali ustreznim orodjem za rokovanje z rezinami. Izogibajte se upogibanju, pritiskanju na robove, zlaganju brez vmesnih ločil in stiku z abrazivnimi delci.
Prevlečene rezine
Ne predpostavljajte, da je barvita površina odporna na vodo, alkohol, topila, čistila ali brisanje. Vidni film je lahko mehkejši in manj stabilen od silicija.
Obdelane naprave
Kovinske proge, kontaktne ploščice, polimeri in ohišja vezij lahko korodirajo ali se razplastijo. Aktivne elektronske naprave bodo morda potrebovale tudi zaščito pred elektrostatično razelektritvijo.
Nadzor prahu
Silicija ne brusite na suho, ne drgnite z brusnim papirjem, ne vrtajte in ne drobite brez ustreznih previdnostnih ukrepov. Uporabljajte ustrezne mokre postopke ali lokalno odsesavanje ter primerno zaščito za oči in dihala.
Industrijski odpadki neznanega izvora
Obdelani material lahko vsebuje kovinske filme, primesi za legiranje, ostanke, spajko, fotorezist ali nečistoče, ki jih s pogledom na sprednjo površino ni mogoče opaziti.
| Nevarnost | Možen učinek | Način preprečevanja |
|---|---|---|
| Udar v rob | Krušenje, radialne razpoke, širjenje razpok in ostri drobci. | Uporabljajte oblazinjene opore in držala, ki se ne dotikajo robov, ter rezine hranite ločeno. |
| Upogibanje rezine | Nenaden popoln lom zaradi majhnega upogiba ali že obstoječe napake na robu. | Dvignite rezino z enakomerno oporo in je nikoli ne potiskajte na silo v tesno držalo. |
| Abrazivni prah | Nepovratne praske, motnost, izguba sijaja polirane površine in poškodbe tankih filmov. | Pred brisanjem odstranite nevezane delce s čisto gumijasto puhalno hruško ali z nadzorovano brezkontaktno metodo. |
| Gospodinjsko topilo ali čistilo | Nabrekanje rezista, izguba prevleke, korozija kovine, ostanki in spremenjena interferenčna barva. | Za obdelane površine ne uporabljajte poljubno izbranih kemičnih načinov čiščenja. |
| Temperaturni gradient | Pokanje zaradi napetosti, razslojevanje filma in poškodbe metalizacije. | Izogibajte se plamenu, hlapom, grelnim ploščam, močnim svetilkam in nenadnim temperaturnim spremembam. |
| Elektrostatična razelektritev | Poškodba delujočih ali zgodovinsko pomembnih aktivnih vezij. | Če je naprava še vedno električno aktivna ali nezaščitena, pri delu z njo uporabite protistatične ukrepe. |
| Suho rezanje ali brušenje | Delci z ostrimi robovi v zraku in potencialno vnetljiv fin prah. | Uporabljajte ukrepe za nadzor prahu, primerne za profesionalno delo, in se izogibajte obdelavi odpadkov z neznanimi prevlekami. |
| Nestabilno pritrjevanje | Zdrs rezine, pritisk na robove, lom in obraba zaradi drgnjenja ob trde sponke. | Uporabljajte široke opore iz inertnih materialov, ki ne povzročajo točkovne obremenitve. |
Dokumentiranje in odgovorno opisovanje
Podroben opis vzorca silicija ločeno navaja elementno sestavo, razred čistosti, kristalno zgradbo, industrijsko obliko, zgodovino tehnološkega postopka, prevleko, stanje naprave, naravni izvor in stanje. Samo poimenovanje »silicijev kristal« lahko prikrije večino informacij, ki dajejo vzorcu pomen.
Identiteta materiala
Navedite, ali gre za elementarni silicij, ferosilicij, silicijev karbid, prevlečeni silicij, stekleno podlago, polisilicij ali drug odobren material.
Kristaličnost
Dokumentirajte monokristalno, večkristalno, polikristalno, amorfno, porozno, dendritično ali neznano strukturo.
Metoda rasti in čiščenja
Če so znani, navedite metalurško taljenje, nanos po Siemensovem postopku, proizvodnjo granul v fluidizirani plasti, rast po Czochralskijevem ali metodi plavajoče cone, litje ali nanos plasti.
Elektronske značilnosti
Shranite podatke o kristalografski orientaciji, dopantu, tipu prevodnosti, specifični upornosti, premeru, debelini, planarnosti, razredu vsebnosti kisika in uporabi v napravah.
Zgradba površinskih plasti
Opišite, ali je površina neprevlečena, oksidirana, nitrirana, metalizirana, prevlečena s fotorezistom, pasivirana, z vzorcem, jedkana ali pa je vzorec v ohišju.
Poreklo in stanje
Shranite podatke o proizvajalcu, ustanovi, projektu, datumu, embalaži, predhodni uporabi, odkruških na robovih, praskah, kontaminaciji, popravilih in fotografijah.
Sodobna simbolika in pomen razmisleka
Sodobne simbolične razlage silicija se lahko neposredno opirajo na njegove dejanske materialne lastnosti: štirivezno strukturo, nadzorovane nečistoče, selektivno prevodnost, vmesnike med plastmi, natančno oblikovanje vzorcev ter preobrazbo obilne mineralne surovine v natančno kristalno platformo. Te teme so sodobna razmišljanja, ne trditve o starodavnih tradicijah, povezanih s silicijem.
Najprej struktura, nato kompleksnost
Ogromen elektronski sistem se začne s ponavljajočimi se lokalnimi vezmi: vsak atom se na predvidljiv način poveže s štirimi sosedi.
Malo dodatkov, velik učinek
Zelo majhne koncentracije dopantov lahko spremenijo prevodnost za več velikostnih redov, kar nas spominja, da skrbno izbrani dodatki pomenijo več kot brezglavo obilje.
Vmesniki ustvarjajo funkcijo
Meja med silicijem in izolacijsko plastjo ne služi le ločevanju: prav tu postanejo mogoči nadzorovani kanali in naprave.
Čiščenje kot selekcija
Čistost, potrebna za elektroniko, se doseže s ponavljajočim se ločevanjem in merjenjem, ne z enim samim impresivnim postopkom odstranjevanja.
Omejitve, določene z vzorcem
Uporabno vezje ne prevaja toka povsod. Usmerja gibanje skozi namensko oblikovana območja, pregrade in spoje.
Površina in notranjost
Barvo ploščice lahko določa film, debel le nekaj nanometrov, kar nas spominja, da sta videz površine in struktura pod njo povezana, a nista enaka.
Pregled ploščice in Lune
- Izberite en sistem, ki se zdi zapleten, ker vsak njegov del velja za enako prevoden.
- Nustatykite glavno strukturo, ki mora ostati stabilna.
- Poimenujte en prispevek, ki ga želite povečati, eno primes, ki jo želite odstraniti, in eno mejo, ki jo želite okrepiti.
- Določite, kje naj bo gibanje preprosto in kje je upor koristen.
- Izberite eno merljivo dejanje, ki bo spremenilo sistem, ne da bi ga bilo treba v celoti preurediti.
- Po enem celotnem ciklu ocenite rezultat in hkrati spremenite samo eno spremenljivko.
Nadaljujte z branjem specializiranih vodnikov o siliciju
Silicij lahko spoznavamo skozi kristalografijo elementarnega silicija, optiko polprevodnikov, geologijo, industrijsko prečiščevanje, polikristalno strukturo, zgodovino tehnologije, sodobno simboliko in prakso premišljevanja.
Pogosta vprašanja
Ali je silicij kovina?
Silicij običajno uvrščamo med polkovine. Njegova površina je videti kovinska, vendar gre za kovalentno vezan polprevodnik, katerega prevodnost je mnogo bolj odvisna od temperature in dopantov kot pri običajni kovini.
Ali sta silicij in silicijev dioksid isto?
Ne. Silicij je kemični element Si. Kemijska formula silicijevega dioksida je SiO₂; med njegove oblike spadajo kremen, kristobalit, tridimit, opal, steklo iz silicijevega dioksida in visokotlačne oblike.
Ali sta silicij in silikon isto?
Ne. Silikoni so družina sintetičnih polimerov, katerih ogrodje sestavljajo izmenično razporejeni atomi silicija in kisika, nanj pa so vezane organske stranske skupine. Silikonska guma, olje, smola in tesnilna masa niso elementarni silicij.
Zakaj je samorodni silicij tako redek?
Silicij tvori močne vezi s kisikom in se zlahka vključi v strukture silicijevega dioksida in silikatov. Za nastanek naravnega elementarnega silicija so potrebni nenavadno reduktivni pogoji, njegovi naravni pojavi pa so običajno mikroskopski.
Zakaj je silicijeva rezina videti modra ali vijolična?
Barva običajno nastane zaradi interference v tanki plasti oksida, nitrida, fotorezista ali večplastnega filma. Sam nepokriti polirani silicij je temno siv do skoraj črn.
Zakaj se silicij uporablja za računalniške čipe?
Silicij ima ustrezno širino prepovedanega pasu, kakovosten naravni in toplotno nastali oksid, odlično pasivacijo površine, zadostno toplotno prevodnost in mehansko trdnost. Poleg tega so njegove surovine bogate, tehnologije čiščenja zrele, proizvodne metode pa zelo razvite.
Kako se silicij tipa p razlikuje od silicija tipa n?
Silicij tipa p vsebuje akceptorske primesi, zaradi katerih postanejo večinski nosilci naboja votline. Silicij tipa n vsebuje donorske primesi, zaradi katerih postanejo večinski nosilci naboja elektroni.
Kaj je votlina?
Votlina je efektivni pozitivni nosilec naboja, povezan s pomanjkanjem elektrona v stanju valenčnega pasu. Obnaša se, kot da bi se po kristalu gibal pozitiven naboj.
Kaj je polisilicij?
Polisilicij je polikristalni elementarni silicij visoke čistosti. Običajno se odlaga v obliki palic, kosov ali zrnc, nato pa se stali za izdelavo rezin ali sončnih celic.
Kako se polikristalni silicij razlikuje od monokristalnega?
V monokristalnem siliciju se v celotnem uporabljenem volumnu ohranja ena sama kristalna orientacija. Polikristalni silicij sestavlja veliko zrn, ločenih z mejami, ki vplivajo na lom, porazdelitev nečistoč in prenos nosilcev naboja.
Kaj je amorfni silicij?
Za amorfni silicij ni značilen dolgosežni kristalni red in se običajno nanaša v obliki tanke plasti. Pogosto se mu doda vodik za pasivacijo nenasičenih vezi in izboljšanje elektronskih lastnosti.
Kaj je silicij, vzgojen po Czochralskijevi metodi?
Gre za monokristalni silicij, ki se pridobi s počasnim vlečenjem in vrtenjem kristalnega zarodka iz staljenega silicija v talilnem lončku iz silicijevega dioksida. S to metodo se izdela večina običajnih velikih polprevodniških rezin.
Kaj je silicij, pridobljen z brezkrižno consko pretaljevalno metodo?
Pri brezkrižni conski pretaljevalni metodi se silicij prečisti in kristalizira tako, da se ozka staljena cona pomika vzdolž silicijeve palice, ne da bi uporabljali talilni lonček. Tako je mogoče doseči zelo nizko vsebnost kisika in visoko specifično upornost.
Zakaj silicij ne prepušča vidne svetlobe, vendar je primeren za infrardečo optiko?
Fotoni vidne svetlobe imajo običajno dovolj energije, da jih silicij absorbira pri elektronskih prehodih. Infrardeči fotoni z nižjo energijo lahko prehajajo skozi dovolj čist material v določenem območju valovnih dolžin, ki je odvisno od uporabe.
Ali je silicij po naravi električno prevoden?
Čisti silicij pri sobni temperaturi v primerjavi s kovino slabo prevaja elektriko. Toplota, svetloba, napake in namensko dopiranje lahko močno povečajo njegovo prevodnost.
Zakaj se prevodnost silicija ob segrevanju povečuje?
Toplota vzbudi več elektronov, da preskočijo prepovedani pas, s čimer nastane več parov elektron-vrzel. Povečanje števila nosilcev naboja lahko odtehta zmanjšanje gibljivosti, ki ga povzročajo nihanja mreže.
Ali lahko elementarni silicij opraska steklo?
Oster rob silicija lahko opraska večino običajnega stekla, saj je njegova trdota po Mohsovi lestvici približno 6,5–7. Trdote izdelane rezine ali dokumentiranega vzorca ni treba preverjati, tak preizkus pa ju nepopravljivo poškoduje.
Zakaj se silicij tako zlahka zlomi, čeprav je trd?
Trdota opisuje odpornost proti praskam, ne pa proti lomu. Silicijeva mreža s usmerjenimi kovalentnimi vezmi je toga, vendar krhka, tanke rezine pa so občutljive na napake na robovih in upogibanje.
Ali je mogoče silicij čistiti z vodo?
Neprevlečen masivni silicij prenese kratek stik z vodo, vendar lahko obdelane rezine vsebujejo filme, kovine, polimere ali ostanke, ki tega ne prenesejo. Za neprepoznan obdelan vzorec je varnejša začetna izbira suho brezkontaktno čiščenje.
Ali lahko poliram zlomljeno silicijevo rezino?
Pri poliranju se odstrani obstoječa površina, s tem pa se lahko uničijo barva zaradi oksida, plasti naprav, značilnosti izvora in geometrija robov. Nastaja tudi droben prah, zato se tega ne bi smeli lotevati zlahka.
Ali je silicijev karbid oblika silicija?
Silicijev karbid vsebuje silicij, vendar je samostojna spojina s formulo SiC. Je trši, gostejši, odpornejši na vročino, njegove elektronske lastnosti pa se razlikujejo od lastnosti elementarnega silicija.
Kaj pomeni zareza na rezini?
Zarezo naredijo med proizvodnjo, da olajšajo določanje orientacije rezine in njeno rokovanje. Pomaga avtomatizirani opremi pri pravilni usmeritvi rezine in označuje referenčno kristalografsko smer.
Ali je mogoče iz barve oksida določiti natančno debelino plasti?
Pri nadzorovani osvetlitvi lahko barva približno pokaže debelino, vendar je za njeno natančno določitev potrebna umerjena optična meritev, saj je barva odvisna tudi od kota, podlage, lomnega količnika in dodatnih plasti.
Kaj mora biti navedeno na oznaki vzorca?
Navedite kemijski element, čistost ali kakovostni razred, monokristalno ali polikristalno obliko, metodo rasti, orientacijo rezine, dopant in specifično električno upornost, če sta znana, prevleko, proizvajalca, datum, prejšnjo uporabo in stanje.
Zaključne misli
Osnova zgradbe silicija je preprosto lokalno pravilo: vsak atom tvori štiri usmerjene vezi. Ko se to pravilo ponavlja po vsem kristalu, nastane mreža, ki je dovolj toga za osnovo natančnih naprav, a hkrati dovolj krhka, da poči ob poškodovanem robu. Iste vezi določajo posredno energijsko vrzel, zmerno toplotno prevodnost, visok lomni količnik v infrardečem delu spektra in površino, na kateri je mogoče oblikovati izjemno natančno nadzorovano plast oksida.
V geološkem okolju je silicij le redko prisoten v prosti obliki. Veže se s kisikom in tvori tetraedre, ki se povezujejo v ločene skupine, obroče, verige, plasti in ogrodja. Tako postane silicij sestavina mineralov v plašču, vulkanskega stekla, granita, gline, prsti, peska, hišic kremenastih alg, betona, porcelana in okenskega stekla.
Industrijska predelava usmeri to naravno nagnjenost k oksidaciji v nasprotno smer. Kremen reducirajo, silicij prečistijo z uporabo hlapnih spojin, ga odložijo v obliki polikristalnega silicija, vzgojijo kristal z nadzorovanimi lastnostmi, ga razrežejo na rezine, nato pa z večkratnim dodajanjem in odstranjevanjem materiala vanje oblikujejo vzorce. Zelo majhne količine dopantov spremenijo električne lastnosti; nanometrsko tanke plasti spreminjajo barvo in medfazne površine; mikroskopske napake določajo, ali bo naprava delovala ali odpovedala.
Zato celovito razumevanje silicija povezuje mineralogijo, kristalografijo, termodinamiko, fiziko trdne snovi, optiko, metalurgijo, kemijo, proizvodnjo, elektroniko, energetiko, ohranjanje in zgodovino tehnologije. Njegova posebnost ni niti naravna električna prevodnost niti osupljiv videz. Poseben je zato, ker je mogoče razširjen element, ki gradi kamnine, prečistiti ter oblikovati njegovo strukturo in vzorce, dokler sam material ne postane programljiv.