Silicis
Linas JuozėnasDeli
Silicij
Silicis yra cheminis elementas, pažymėtas simboliu Si ir turintis atominį skaičių 14. Gamtoje jis beveik niekada neaptinkamas grynas, nes lengvai jungiasi su deguonimi ir kitais elementais. Todėl silicį dažniausiai sutinkame kvarce, lauko špatuose, žėručiuose, molio mineraluose ir daugybėje kitų silikatų. Išgrynintas iki nepaprastai aukšto lygio ir išaugintas į vientisą kristalą, jis tampa valdomu puslaidininkiu, iš kurio gaminamos mikroschemos, jutikliai ir saulės elementai.
Keturių ryšių elementas, galintis tapti uolienos karkasu arba tiksliai valdomu elektronų keliu
Silicio atomas turi keturis valentinius elektronus. Tai leidžia jam sudaryti keturis stiprius kovalentinius ryšius su kaimyniniais atomais.
Gryname kristaliniame silicyje kiekvienas atomas susijungia su keturiais kitais silicio atomais ir sukuria trimatę deimantinio tipo gardelę.
Gamtoje silicis dažniau jungiasi su deguonimi. Silicio ir deguonies tetraedrai gali būti pavieniai, susijungę į grandines, žiedus, lakštus arba vientisus karkasus.
Silicio esmė: tie patys keturi galimi ryšiai leidžia jam kurti ir milžinišką silikatų įvairovę Žemės plutoje, ir tvarkingą puslaidininkinį kristalą elektronikoje.
Keturi valentiniai elektronai
Jie leidžia siliciui sudaryti tvirtą keturių ryšių tinklą.
Metaloido padėtis
Silicis turi ir metalams, ir nemetalams būdingų savybių, todėl užima tarpinę vietą.
Kontroliuojamas laidumas
Grynas silicis laidus ribotai, tačiau jo elektrinį elgesį galima labai tiksliai keisti nedidelėmis priemaišomis.
Kietas, trapus ir pilkai blizgantis kristalas, kurio laidumas priklauso nuo temperatūros, šviesos ir priemaišų
| Cheminis simbolis | Si |
|---|---|
| Atominis skaičius | 14 |
| Elemento klasė | Metaloidas |
| Kristalinė sandara | Diamantna kubična kristalna mreža |
| Kietumas | Apytiksliai 6,5–7 pagal Moso skalę |
| Tankis | Apytiksliai 2,33 g/cm³ |
| Lydymosi temperatūra | Apie 1414 °C |
| Virimo temperatūra | Apie 3265 °C |
| Blizgesys | Metalinis arba pusiau metalinis |
| Spalva | Tamsiai pilka, plieno pilka arba melsvai pilka |
| Lūžis | Kriaukliškas; medžiaga trapi |
| Elektroninė savybė | Puslaidininkis, kurio draudžiamosios juostos plotis kambario temperatūroje yra apie 1,12 eV |
| Laidumo pokytis | Narašča z višanjem temperature, izpostavljenostjo svetlobi ali vnosom ustreznih primesi |
Eden najpomembnejših gradnikov planeta, vendar skoraj vedno skrit v spojinah
Kremen
Silicijev dioksid SiO₂ tvori kremen, ametist, citrin, kameno strelo in številne druge različice kremena.
Glinenci
Ogrodja silicija, aluminija, kisika in kovin tvorijo eno najštevilčnejših skupin mineralov Zemljine skorje.
Sljude
Silikatni listi omogočajo, da se ti minerali zlahka cepijo v tanke ploščice.
Glineni minerali
Pri preperevanju silikatov nastanejo izjemno drobni lističasti delci, pomembni za prst in sedimente.
Pirokseni in amfiboli
Njihove silikatne verige so pomembne za magmatske in metamorfne kamnine.
Naravni silicij
Prosti elementarni silicij je v naravi zelo redek, saj zlahka reagira in postane oksid ali silikat.
Velik del mineralne zgradbe Zemljine skorje lahko razumemo z opazovanjem, kako se tetraedri silicija in kisika povezujejo v vse bolj zapletene oblike.
Od silicijevega dioksida v kamnini do izjemno čistega materiala, v katerem je nadzorovana skoraj vsaka primes
Izbere se silicijev dioksid
Za proizvodnjo se uporablja kremen ali zelo čist kremenčev pesek.
Silicijev dioksid se reducira
Pri visoki temperaturi v električni peči se kisik odstrani z uporabo snovi, ki vsebuje ogljik.
Pridobljen je metalurški silicij
Nastane siva masa elementarnega silicija, ki še vedno vsebuje preveč primesi za občutljivo elektroniko.
Silicij se pretvori v hlapno spojino
Kemično vmesno spojino je mogoče destilirati in ločiti od številnih onesnaževal.
Nastali silicij izjemne čistosti se odlaga
Iz prečiščene plinaste spojine dobimo polikristalni material zelo visoke čistosti.
Material se pripravi za rast kristala
Silicij se stali v nadzorovanem okolju in uporablja za oblikovanje monokristalnih ali polikristalnih surovcev.
Kremen je v naravi lahko skoraj prozoren, vendar elektronika ne potrebuje le lepe surovine. Potrebuje tako čistost, da niti zelo majhna količina neželenega elementa ne bi več poslabšala električnega vedenja.
Ogromen kristal se goji tako, da milijarde atomov nadaljujejo v eni skupni smeri kristalne mreže
Od taline do rezine
Monokristalni cilinder se razreže na zelo tanke krožne rezine, imenovane silicijeve rezine. Na njih pozneje izdelajo tranzistorje, prevodne poti in druge elektronske strukture.
Kristalni zarod
Majhen, natančno orientiran silicijev kristal se dotakne površine staljenega materiala.
Počasno vlečenje
Zarod se vrti in dviguje, atomi, ki se mu pridružujejo, pa nadaljujejo isto kristalno mrežo.
Monokristalni cilinder
S pravilnim uravnavanjem temperature in hitrosti vlečenja zraste dolg kristal z enotno orientacijo.
Razrez rezin
Cilinder se razreže na tanke diske, katerih površina se zravna in spolira.
Kristalografska smer
Usmerjenost rezine se izbere glede na proizvodne in električne lastnosti prihodnje naprave.
Polikristalni silicij
Kadar je material sestavljen iz številnih različno usmerjenih kristalnih zrn, ga imenujemo polikristalni.
Njegovo prevodnost je mogoče dovolj dobro nadzorovati, surovine je veliko, na površini pa je mogoče ustvariti stabilen izolacijski oksidni sloj
Polprevodniško obnašanje
Silicij ni ne dober kovinski prevodnik ne popoln izolator, zato je mogoče nadzorovati gibanje njegovih elektronov.
Silicij tipa n
Primesi z dodatnim valenčnim elektronom povečajo število prostih elektronov.
Silicij tipa p
Primesi z enim valenčnim elektronom manj ustvarijo mesta s pomanjkanjem elektronov, imenovana vrzeli.
Tranzistorji
Električno polje nadzoruje, ali tok teče skozi mikroskopski silicijev kanal.
Sončne celice
Svetloba v siliciju ustvari gibljive nosilce naboja, ki jih notranje električno polje usmeri v električno vezje.
Plast silicijevega dioksida
Na površini silicija je mogoče ustvariti trd izolacijski sloj SiO₂, ki je zelo pomemben pri izdelavi mikrovezij.
Silicij je postal temelj tehnologije ne zato, ker bi bil v enem pogledu popoln, temveč zato, ker se njegove električne, kemijske, toplotne in proizvodne lastnosti izjemno dobro dopolnjujejo.
Tri podobno zveneče besede pomenijo popolnoma različne snovi
Silicij
Kemijski element Si. Čisti kristalni silicij je temno siv metaloid in polprevodnik.
Silicijev dioksid
Spojina SiO₂. Sestavlja kremen in je pomemben del številnih peskov, stekel ter kamnin.
Silikati
Ogromna skupina mineralov, v kateri se enote silicija in kisika povezujejo z aluminijem, magnezijem, železom, kalcijem in drugimi elementi.
Silikon
Družina sintetičnih polimerov, v katerih se v glavni verigi izmenjujejo atomi silicija in kisika.
Steklo
Najpogosteje amorfen material iz silicijevega dioksida in drugih oksidov, ki nima dolgosežne kristalne urejenosti.
Silicijev karbid
Spojina SiC, sestavljena iz silicija in ogljika, ki jo odlikujeta velika trdota in odpornost proti vročini.
Silicij ni isto kot silikon. Prvi je element in polprevodnik, drugi pa je polimerni material na osnovi silicija, kisika in organskih skupin.
Element je bil izločen iz materialov, ki so jih ljudje uporabljali tisoče let, vendar dolgo niso poznali njihove prave kemijske narave
Ime silicij je povezano z latinsko besedo silex, ki je pomenila kremen oziroma trd kamen, bogat s silicijem.
Ljudje so že od pradavnine uporabljali kremen, kremenčev pesek, glino, keramiko in steklo, vendar je bil elementarni silicij v teh materialih kemijsko vezan.
V začetku 19. stoletja so ugotovili, da silicijev dioksid vsebuje dotlej neizločen element. Leta 1824 je Jöns Jacob Berzelius pripravil precej čist amorfni silicij.
Pozneje so lastnosti kristalnega silicija postale vse pomembnejše za elektrotehniko, v 20. stoletju pa je postal glavni material za tranzistorje in integrirana vezja.
Silicijeva zgodba ima nenavaden lok: sprva se je skrival v kamnu, pozneje so ga izločili v laboratoriju, nazadnje pa je sam postal material, v katerem je človeštvo začelo shranjevati in obdelovati informacije.
Kristal, ki se je naučil računati
V gorski kamnini je živel silicij. V sebi je držal mrežo kremena, ogrodje glinenca in lističe sljude, vendar ga nihče ni videl ločeno.
Nekega dne so ga ljudje osvobodili kisikovih vezi, ga očistili in stalili.
»Kaj naj postanem?« je vprašal silicij.
»Najprej se nauči vse svoje atome razvrstiti v eno smer,« je odgovoril zametek kristala.
Silicij je počasi rasel, dokler ni postal enoten kristal. Nato je bilo v njegovo mrežo vnesenih le nekaj tujih atomov.
Na enem mestu se je pojavil dodaten elektron, drugje pa prazno mesto, kamor se je lahko premikal. Med njima je začel teči nadzorovan signal.
Tako se je element, ki je milijarde let gradil kamnine, naučil računati, si zapomniti in prenašati misli, ki so jih ustvarili ljudje.
To ni stara legenda. To je ustvarjalna pripoved, navdihnjena z resnično silicijevo mrežo, prevodnostjo zaradi primesi in delovanjem mikrovezij.
Struktura, natančna povezava in sposobnost ustvariti delujoč sistem iz množice majhnih enot
V sodobnem simbolnem jeziku lahko silicij povezujemo z logiko, učenjem, obdelavo informacij, ustvarjanjem sistemov in zavestnim oblikovanjem povezav. To je ustvarjalna razlaga, ne znanstveno potrjen vpliv na človeka.
Štiri povezave
Element lahko postane stabilen ne tako, da se loči, temveč tako, da se natančno poveže z okoljem.
Kristalni red
Majhna pravila, ki se dosledno ponavljajo, lahko ustvarijo veliko in zanesljivo strukturo.
Pomen primesi
Majhen nov element včasih sistema ne poruši, temveč mu da povsem novo funkcijo.
Polprevodniško stanje
Ni treba, da je vse popolnoma odprto ali popolnoma zaprto – vrednost se lahko skriva v nadzorovanem prehodu.
Signal
Informacija postane smiselna šele, ko ima pot, smer in jasno stanje.
Od kamna do misli
Ista snov lahko opravlja povsem drugačno vlogo, ko se spremeni kakovost njene čistosti, strukture in organiziranosti.
Obred jasnega sistema
Ta suha simbolna praksa je namenjena delu ali projektu, ki ima veliko ločenih podrobnosti, vendar še nima jasne delujoče strukture.
Kaj boste potrebovali
- enega vzorca silicija;
- lista papirja;
- pisala;
- ene zapletene naloge ali projekta.
Štiri glavne povezave
Zapišite štiri najpomembnejše dele projekta, brez katerih sistem ne bi mogel delovati.
Pravilo mreže
Ob vsakem delu zapišite eno jasno pravilo, po katerem mora delovati.
Signalna pot
Narišite, kako se informacija, odločitev ali snov premika iz enega dela v drugega.
Koristna primes
Poimenujte eno majhno spremembo, ki bi lahko sistemu dala novo funkcijo ali odpravila največjo oviro.
Urok
Položite silicij na sredino lista in trikrat izgovorite:
Vidim povezave, ustvarjam red,
sistem povezujem z majhnimi enotami.
Zaključek
Recite: »Ni mi treba vsega ustvariti naenkrat. Dovolj je, da natančno povežem naslednji najpomembnejši del.«
Najpogostejša vprašanja o siliciju
Kaj je silicij?
Ali je silicij kovina?
Ali je silicij mineral?
Kakšna je kristalna struktura silicija?
Kako trd je silicij?
Zakaj je silicij polprevodnik?
Kaj sta silicij tipa n in tipa p?
Ali sta silicij in silicijev dioksid isto?
Ali sta silicij in silikon isto?
Kaj silicij simbolizira v sodobni domišljiji?
Silicij pokaže, kako lahko ista atomska lastnost gradi gore, prozorni kremen, sončne celice in mikroskopska logična vrata
V naravi silicij skoraj vedno obstaja v povezavi s kisikom in drugimi elementi ter tvori ogromno raznolikost silikatnih mineralov.
V industriji ga pridobivajo iz silicijevega dioksida, ga očistijo in vzgojijo v urejene monokristale.
Ko v mrežo vnesemo zelo majhno količino ustreznih primesi, se pojavijo dodatni elektroni ali vrzeli, električni signal pa postane obvladljiv.
V kemiji je silicij štirinajsti element. V simbolnem jeziku nas lahko spomni, da zapleteni sistemi ne nastanejo nujno iz ene velike rešitve – pojavijo se, ko je množica majhnih povezav razporejena tako natančno, da začne delovati kot ena sama misel.