Silic polikristalin 尚度
Linas JuozenasNdaj
Silic polikristalor
Silici polikristalor është material silici kristalor i përbërë nga shumë kristale të veçanta silici, të quajtura grimca. Në secilën grimcë, atomet janë të vendosura në një rrjetë të rregullt diamanti, por rrjetat e grimcave fqinje janë të rrotulluara në kënde të ndryshme. Në vendet ku ato takohen formohen kufijtë e grimcave. Pikërisht kjo strukturë shumëkristalore e dallon silicin polikristalor nga silici monokristalor dhe i jep sipërfaqen karakteristike mozaike. Ky material u bë një nga etapat më të rëndësishme ndërmjet lëndës së parë të kuarcit, qelizave diellore, mikroelektronikës dhe kristaleve të silicit me pastërti jashtëzakonisht të lartë.
Kimikisht është po i njëjti silic, por në vend të një orientimi kristalor të pandërprerë, ai përmban mijëra ose miliona zona më të vogla kristalore
Silici i pastër kristalor përbëhet nga atome silici të lidhura në një rrjet tridimensional shumë të rregullt. Brenda një grimce kristalore, kjo rregullsi vazhdon në një orientim të vetëm.
Në materialin polikristalor ka shumë grimca të tilla. Njëra mund të jetë e rrotulluar disa gradë, ndërsa tjetra – në një drejtim krejtësisht tjetër. Për sa kohë ndodhemi brenda një grimce, rrjeta mbetet e rregullt, por kur i afrohemi skajit të saj, vargjet e atomeve nuk mund të vazhdojnë më në mënyrë të përsosur.
Vendi i takimit quhet kufiri i grimcës. Aty disa atome kanë fqinjësi disi të ndryshme, prandaj këtu mund të përqendrohen defektet kristalore, papastërtitë dhe gjendjet elektronike.
Në pamje të parë, ky ndryshim duket i vogël, por për elektronikën është i rëndësishëm: elektronet dhe vrimat lëvizin ndryshe nëpër një rrjetë kristalore të përsosur sesa nëpër kufijtë e shumtë të saj.
Thelbi i silicit polikristalor: çdo grimcë e veçantë është një kristal, por i gjithë materiali nuk është një kristal i vetëm. Ai është një bashkësi e shumë kristaleve.
Grimcë kristalore
Zonë e vogël silici ku atomet ruajnë një orientim të përbashkët kristalografik.
Kufiri i kokrrizave
Zonë ku takohen dy rrjeta kristalore të orientuara ndryshe.
Tërësia polikristalore
Shumë kokrriza bashkohen mekanikisht dhe formojnë një copë të vetme silici.
Material gjysmëpërçues gri, me shkëlqim dhe i brishtë, sjellja elektrike e të cilit ndryshon ndjeshëm nga pastërtia, papastërtitë dhe madhësia e kokrrizave kristalore
| Simboli kimik | Si |
|---|---|
| Lloji i materialit | Gjysmëpërçues elementar polikristalor |
| Numri atomik | 14 |
| Struktura kristalore në kokrrizë | Strukturë kubike e diamantit |
| Fortësia | Afërsisht 6,5–7 sipas shkallës së Mosit |
| Dendësia | Rreth 2,33 g/cm³ |
| Temperatura e shkrirjes | Rreth 1414 °C |
| Ngjyra | Gri e errët, gri e argjendtë, gri kaltërosh ose e zezë |
| Shkëlqimi | Me shkëlqim metalik ose gjysmëmetalik |
| Sjellja mekanike | I fortë, por i brishtë |
| Lloji elektronik | Gjysmëpërçues |
| Gjerësia e brezit të ndaluar | Rreth 1,12 eV në temperaturën e dhomës |
| Përçueshmëria elektrike | Varet shumë nga temperatura, pastërtia dhe dopimi i kontrolluar |
| Dallimi kryesor strukturor | Shumë orientime kristalore dhe kufijtë e kokrrizave që i ndajnë ato |
Çdo atom silici lidhet me katër fqinj, duke krijuar një rrjetë tetraedrike, të ngjashme me strukturën e diamantit
Renditja që përsëritet në tri drejtime
Në silicin kristalor, çdo atom ka katër fqinj silici më të afërt. Lidhjet kovalente formojnë një rrjetë hapësinore tetraedrike, e cila përcakton si gjeometrinë e kristalit, ashtu edhe vetitë e tij gjysmëpërçuese.
Katër lidhje
Çdo atom silici ka katër elektrone valencë dhe në kristal formon katër lidhje të forta kovalente.
Gjeometria tetraedrike
Atomet fqinje vendosen në drejtime tetraedrike, prandaj rrjeta nuk është një rrjetë e thjeshtë kubike.
Struktura e diamantit
Lloji i rrjetës së silicit është i njëjtë me atë të diamantit, megjithëse atomet e silicit janë më të mëdha dhe lidhjet më të dobëta se në kristalin e karbonit.
Gjendjet elektronike
Shpërndarja periodike e atomeve krijon brezat valentë dhe të përçimit të energjisë.
Hendeku i gjysmëpërçuesit
Midis brezit valent dhe brezit të përçimit mbetet një hendek energjetik, prandaj silici nuk është as metal i mirë, as izolues i zakonshëm.
Ndikimi i temperaturës
Nxehtësia mund t’u japë elektroneve energji të mjaftueshme për të kaluar në brezin e përçimit dhe për të rritur përçueshmërinë.
Në silicin polikristalor, e njëjta rrjetë diamanti përsëritet në çdo kokrrizë. Ndryshon jo renditja lokale e atomeve, por orientimi i gjithë kokrrizës në hapësirë.
Sipërfaqja mozaike e silicit polikristalor krijohet nga zona të veçanta kristalore, të cilat e pasqyrojnë dritën ndryshe për shkak të orientimit të ndryshëm
Një sipërfaqe, shumë kënde kristalografike
Atomet në sipërfaqen e çdo kokrrize janë të orientuara paksa ndryshe ndaj dritës, gërryerjes kimike dhe përpunimit mekanik. Për këtë arsye, zonat pranë njëra-tjetrës mund të duken më të çelëta, më të errëta ose më kaltërosh.
Brendësia e kokrrizës
Renditja atomike është mjaft e rregullt këtu dhe e ngjashme me strukturën e një monokristali.
Riba
Susitikus dviem orientacijoms, ne visi atomų ryšiai gali tęstis idealioje periodinėje sekoje.
Kristaliniai defektai
Ribose gali būti iškraipytų ryšių, dislokacijų ir kitų gardelės netobulumų.
Priemaišų kaupimasis
Kai kurie svetimi atomai energetiškai palankiau kaupiasi grūdelių ribose nei tobuloje gardelėje.
Krūvininkų rekombinacija
Elektronai ir skylės ribose gali lengviau susijungti, todėl sutrumpėja jų naudingoji gyvavimo trukmė.
Grūdelių dydis
Kuo grūdeliai didesni, tuo mažiau ribų tenka tam pačiam medžiagos tūriui.
Grūdelių ribos nėra tiesiog matomos linijos. Tai tikros kristalinės sandūros, galinčios keisti elektros krūvio judėjimą, mechaninį atsaką ir priemaišų pasiskirstymą.
Kelias nuo silicio dioksido iki elektronikai tinkamos medžiagos reikalauja ne tik išlydyti silicį, bet ir pašalinti beveik visas svetimas priemaišas.
Silicio dioksido žaliava
Pramoninis kelias dažniausiai prasideda nuo kvarco ar kitos medžiagos, kurioje gausu silicio dioksido.
Redukcija anglimi
Aukštoje temperatūroje deguonis pašalinamas ir gaunamas metalurginės kokybės elementinis silicis.
Silicis paverčiamas lakiaisiais junginiais
Kad silicį būtų galima itin tiksliai išgryninti, jis chemiškai paverčiamas junginiais, kuriuos galima distiliuoti.
Junginiai išgryninami
Distiliuojant atskiriamos medžiagos, kurių virimo temperatūra ir cheminis elgesys skiriasi nuo norimo silicio junginio.
Nusodinamas grynas silicis
Aukštoje temperatūroje silicio turintis dujinis junginys suskaidomas, o elementinis silicis nusėda ant įkaitinto pagrindo.
Gaunamas polisilicis
Susidaro labai gryna polikristalinė silicio medžiaga, kuri vėliau gali būti lydoma ir naudojama kitoms kristalinėms formoms auginti.
Terminas „polisilicis“ pramonėje dažnai reiškia labai gryną polikristalinį silicį – žaliavą, iš kurios vėliau auginami monokristalai arba liejami daugiakristaliai ruošiniai.
Išlydytam siliciui vėstant, daugelyje vietų vienu metu susidaro kristalų branduoliai, kurie auga tol, kol susitinka vienas su kitu.
Silicis išlydomas
Virš lydymosi temperatūros ilgalaikė kristalinė tvarka išnyksta, o atomai juda skystame lydale.
Temperatūra pradeda kristi
Vėstant susidaro sąlygos atomams vėl jungtis į kristalinę deimantinę gardelę.
Susidaro daug branduolių
Skirtingose lydalo vietose pradeda augti atskiri silicio kristalai.
Kristalai plečiasi
Kiekvienas branduolys auga sava kristalografine orientacija, prijungdamas vis daugiau silicio atomų.
Grūdeliai susitinka
Augančių kristalų frontai susiliečia ir nebegali tęsti savo gardelių be struktūrinio kompromiso.
Susidaro grūdelių ribos
Išlydytai medžiagai sukietėjus, susidaro vientisas blokas, tačiau jame išlieka daugybė atskirų kristalinių orientacijų.
Nëse e gjithë masa e shkrirë do të detyrohej të rritej nga një bërthamë e vetme kristalore, e orientuar siç duhet, dhe të mos formoheshin bërthama të tjera, do të mund të përftohej një monokristal. Polikristali shfaqet kur shumë qendra kristalore rriten njëkohësisht.
Silici polikristalor ndihmoi në shndërrimin e teknologjisë fotovoltaike në një sistem masiv të prodhimit të energjisë
Nga drita në qarkun elektrik
Fotoni diellor mund t’i transferojë energji një elektroni të silicit dhe ta ngrejë atë në brezin e përçueshmërisë. Një zonë e krijuar siç duhet e fushës elektrike e ndan elektronin nga vrima e mbetur dhe e drejton ngarkesën drejt qarkut të jashtëm.
Përthithja e fotoneve
Drita me energji të mjaftueshme mund të krijojë një elektron të lëvizshëm dhe një bartës pozitiv të ngarkesës – një vrimë.
Silici i tipit p dhe n
Duke futur në mënyrë të kontrolluar papastërti të ndryshme krijohen zona me përqendrime të ndryshme të bartësve të ngarkesës.
Bashkimi p–n
Fusha elektrike e krijuar në bashkimin e dy zonave ndihmon në ndarjen e bartësve të ngarkesës të krijuar nga drita.
Humbjet në kufijtë e kokrrizave
Një pjesë e elektroneve dhe vrimave mund të rikombinohen në kufij para se të arrijnë elektrodat.
Kokrriza të mëdha
Kokrrizat më të mëdha kristalore zvogëlojnë numrin e kufijve dhe zakonisht ndihmojnë në ruajtjen e vetive më të mira elektronike.
Sipërfaqe blu
Ngjyra blu karakteristike e shumë elementeve diellore polikristalore klasike përforcohet nga shtresat sipërfaqësore antireflektuese.
Një element diellor polikristalor nuk është „më pak kristalor“ se një element monokristalor. Brenda tij ka shumë kristale të vërteta – thjesht orientimet e tyre janë të ndryshme dhe mes tyre ka më shumë kufij.
Shtresat e holla të silicit polikristalor lejojnë krijimin e tranzistorëve aty ku nuk është e nevojshme përdorimi i një monokristali masiv
Tranzistorët me shtresë të hollë
Silici polikristalor mund të përdoret në tranzistorët me shtresë të hollë të ekraneve dhe strukturave të tjera elektronike.
Portat e mikroçipeve
Historikisht, polisilici shumë i dopuar është përdorur gjerësisht në elektrodat e portave të tranzistorëve MOS.
Rezistorët
Kombinimi i kontrolluar i kokrrizave, dopimit dhe gjeometrisë së shtresës lejon formimin e rezistencave elektrike.
Sistemet mikromekanike
Shtresat e silicit polikristalor mund të shndërrohen në trarë mikroskopikë, membrana dhe struktura lëvizëse.
Sensorët
Vetitë mekanike dhe elektrike lejojnë përdorimin e polisilicës në mikrosensorë të presionit, lëvizjes dhe parametrave të tjerë.
Dopimi i kontrolluar
Sasia e borit, fosforit ose papastërtive të tjera të përshtatshme lejon ndryshimin e përqendrimit të bartësve të lirë të ngarkesës me shumë rende madhësie.
Në elektronikë, fjala „polisilic“ shpesh nënkupton jo një copë të madhe dhe të shndritshme silici, por një shtresë shumë të hollë silici polikristalor, të integruar në një strukturë komplekse mikroçipi.
Atomet e të dy materialeve lidhen në të njëjtën mënyrë, por në njërin rrjeti kristalor vazhdon pothuajse pa ndryshim drejtimi, ndërsa në tjetrin është ndarë në shumë zona kristalore
Monokristali
Pothuajse i gjithë boshti ka një orientim të përbashkët kristalografik.
Polikristali
Boshte përbëhet nga shumë orientime të veçanta kristalore.
Kufijtë e kokrrizave
Në monokristal pothuajse nuk ka të tilla, ndërsa në polikristal ato formojnë të gjithë rrjetin e brendshëm.
Lëvizja e elektroneve
Rendi më i përsosur i monokristalit zakonisht u lejon bartësve të ngarkesës të lëvizin me më pak pengesa strukturore.
Procesi i prodhimit
Monokristali kërkon kontrollin e rritjes së një kristali të vetëm, ndërsa materiali polikristalor mund të ngurtësohet nga shumë bërthama.
Pamja
Në sipërfaqen polikristalore shpesh mund të shihet një model mozaik i kokrrizave të veçanta.
Monokristali dhe polikristali nuk janë dy substanca kimike të ndryshme. Të dyja mund të jenë silic elementar pothuajse i pastër – ndryshon shkalla e rendit kristalor.
Elementi, përbërjet e të cilit përbëjnë pjesën më të madhe të shkëmbinjve të botës, u bë edhe një nga themelet më të rëndësishme të qytetërimit digjital
Në natyrë, silici pothuajse kurrë nuk gjendet si kristale të mëdha të elementit të pastër, sepse bashkohet shumë lehtë me oksigjenin. Kuarci, feldshpatet dhe shumë silikate e ruajnë atë në gjendje të oksiduar.
Historia industriale e silicit filloi me aftësinë për ta ndarë silicin nga oksigjeni dhe elementet e tjera, e më pas me pastrimin e tij gjithnjë e më të avancuar.
Revolucioni elektronik kërkonte jo thjesht silic, por silic jashtëzakonisht të pastër dhe me strukturë kristalore të kontrolluar. Edhe sasi shumë të vogla të elementeve të padëshiruara mund të ndryshojnë ndjeshëm vetitë elektrike të gjysmëpërçuesit.
Prodhimi i polisilicit u bë hallka lidhëse midis kimisë së lëndëve të para dhe inxhinierisë së kristaleve. Nga polisilici i pastruar mund të shkrihen boshte për qelizat diellore ose të rriten monokristale të mëdha për mikroelektronikën.
Kështu, një nga elementet më të përhapura të kores së Tokës u bë një material ku rëndësi nuk ka bollëku, por struktura dhe pastërtia e kontrolluara me saktësi të jashtëzakonshme.
Vlera teknologjike e silicit u shfaq kur njerëzit mësuan jo vetëm ta nxirrnin, por edhe të kontrollonin pothuajse çdo aspekt të kristalit të tij – nga papastërtitë deri te orientimi i atomeve.
Qyteti i shumë kristaleve
Në silicin e lëngshëm, pothuajse në të njëjtën kohë lindën disa kristale të vegjël.
Secili filloi të rritej në drejtimin e vet.
«Nëse nuk jemi të gjithë të orientuar njësoj, nuk do të bëhemi kurrë një trup i vetëm», – tha kristali i parë.
Megjithatë, temperatura vazhdoi të binte, ndërsa kristalet zgjeroheshin.
Më në fund, skajet e tyre u takuan.
Rrjetat nuk përputheshin në mënyrë të përsosur. Midis tyre u shfaq një kufi.
«E sheh?» – tha i pari. «Ne jemi ende të ndryshëm.»
«Po», – u përgjigj i dyti. «Por tani kufiri ynë nuk është një hapësirë. Ai u bë vendi ku u bashkuam.»
Kur i gjithë shkrirja u ngurtësua, nuk pati një kristal të vetëm të përsosur. Kishte miliona prej tyre – dhe të gjithë së bashku u bënë një material funksional.
Kjo nuk është një legjendë e vjetër. Është një rrëfim krijues, i frymëzuar nga rritja reale e kokrrizave të silicit polikristalin.
Bashkimi i shumë drejtimeve, aftësia për të ruajtur një strukturë të veçantë dhe njëkohësisht për të krijuar një sistem më të madh që funksionon vetëm falë të gjitha pjesëve të tij
Në gjuhën simbolike bashkëkohore, silici polikristalin mund të lidhet me bashkëpunimin, krijimin e sistemeve komplekse, integrimin e aftësive të ndryshme dhe kuptimin se bashkimi nuk do të thotë domosdoshmërisht njëtrajtshmëri. Ky është një interpretim krijues, jo një efekt i vërtetuar shkencërisht te njeriu.
Një kokrrizë e veçantë
Çdo pjesë e jetës së një personi mund të ketë drejtimin e vet dhe megjithatë t'i përkasë një tërësie më të madhe.
Kufiri i kokrrizave
Dallimi midis dy njerëzve ose ideve mund të bëhet jo vetëm konflikt, por edhe vendi i vërtetë ku ato bashkohen.
Kristalizimi
Rendi mund të shfaqet njëkohësisht në shumë vende dhe më vonë të bashkohet në një sistem të vetëm.
Gjysmëpërçues
Aftësia për të kontrolluar se kur rrjedh energjia dhe kur ndalet mund të simbolizojë kufij të vetëdijshëm dhe veprim të orientuar.
Qelizë diellore
Energjia e marrë nga jashtë mund të mos përthithet vetëm, por edhe të shndërrohet në punë të dobishme.
Tërësi mozaik
Një sistem kompleks nuk ka pse t'i fshehë pjesët e veta të ndryshme – ndonjëherë pikërisht ato krijojnë strukturën më interesante.
Rituali i strukturës së përbashkët
Kjo praktikë simbolike e thatë i kushtohet një situate në të cilën keni disa detyra, aftësi ose njerëz të ndryshëm dhe dëshironi të kuptoni si t'i bashkoni në një sistem të vetëm funksional, pa i detyruar të gjithë të bëhen të njëjtë.
Çfarë do t'ju nevojitet
- një mostër silici polikristalin;
- një fletë letre;
- stilolaps;
- të një sistemi ose projekti që dëshironi ta organizoni më mirë.
Kokrrizat
Në fletë vizatoni disa zona të veçuara dhe në secilën shkruani një pjesë të projektit, një person, një aftësi ose një përgjegjësi.
Drejtimet
Pranë secilës pjesë shënoni çfarë bën më së miri dhe cilin drejtim nuk duhet ta ndryshojë me detyrim.
Kufijtë
Midis fushave fqinje shkruani se çfarë informacioni, burimesh ose vendimesh duhet të kalojë nga njëra te tjetra.
Vendet e defekteve
Shënoni një bashkim ku aktualisht humbet më shumë kohë, energji ose qartësi.
Lidhje më e fortë
Zgjidhni një ndryshim të vogël që do ta përmirësonte pikërisht këtë kufi: një rregull më të qartë, një përcjellje më të mirë të informacionit ose një proces më të thjeshtë.
Formulë magjike
Vendoseni silicin polikristalin në qendër të skemës dhe shqiptojeni tri herë:
Drejtimet i ruaj, kufijtë i bashkoj,
krijoj një tërësi funksionale nga shumë pjesë.
Përfundim
Thuaj: «Bashkimi nuk kërkon njëtrajtshmëri. Çdo pjesë mund të ruajë drejtimin e vet, ndërsa unë mund të forcoj vendet ku ato takohen.»
Pyetjet më të shpeshta rreth silikonit polikristalin
Çfarë është silici polikristalin?
Cila është formula e tij kimike?
Si ndryshon silici polikristalin nga ai monokristalin?
Çfarë është kufiri i kokrrizës?
A është çdo kokrrizë e silicit polikristalin një kristal i vërtetë?
Sa është fortësia e silicit?
Sa është dendësia e tij?
Pse silici polikristalin duket si mozaik?
Çfarë është polisilici?
A përdoret silici polikristalin në elementet diellore?
Pse janë të rëndësishëm kufijtë e kokrrizave për elementet diellore?
A përdoret polisilici në mikroelektronikë?
Çfarë simbolizon silici polikristalin në imagjinatën bashkëkohore?
Silici polikristalin tregon se një strukturë funksionale mund të krijohet jo duke eliminuar dallimet, por duke rregulluar me saktësi vendet ku takohen drejtime të ndryshme
Historia e tij fillon me të njëjtin atom silici, i cili në natyrë zakonisht fshihet në kuarc dhe në mineralet silikate.
Silici i pastruar dhe i shkrirë, ndërsa ftohet, fillon të kristalizohet në shumë vende njëkohësisht.
Çdo kristal rritet në drejtimin e vet, ndërsa kur takohen, formojnë kufij kokrrizash dhe së bashku bëhen një trup i vetëm i fortë polikristalin.
Në botën e teknologjisë, ky material bashkon kiminë, fizikën e kristaleve, energjinë diellore dhe mikroelektronikën. Në gjuhën simbolike, ai mund të kujtojë se një tërësi komplekse nuk ka domosdoshmërisht një drejtim të vetëm – ndonjëherë forca e saj lind pikërisht sepse shumë kristale të ndryshme mësojnë të ekzistojnë në një trup të vetëm.