Silic polikristalin 尚度
Linas JuozėnasTë ndash
Silici polikristalin
Silici polikristalin është një material kristalor prej silikoni, i përbërë nga shumë kristale të veçanta silikoni, të quajtura kokrriza. Në secilën kokrrizë, atomet janë vendosur në një rrjetë kubike të rregullt të tipit diamant, por rrjetat e kokrrizave fqinje janë të rrotulluara me kënde të ndryshme. Aty ku takohen, formohen kufijtë e kokrrizave. Pikërisht kjo strukturë polikristalore e dallon silikonin polikristalin nga ai monokristalor dhe i jep sipërfaqen karakteristike si mozaik. Ky material u bë një nga hallkat ndërmjetëse më të rëndësishme që lidh lëndën e parë të kuarcit, qelizat diellore, mikroelektronikën dhe kristalet e silikonit me pastërti jashtëzakonisht të lartë.
Nga ana kimike, është po ai silikon, por në vend të një orientimi të pandërprerë të kristalit, ai përmban mijëra ose miliona zona më të vogla kristalore
Silici i pastër kristalor përbëhet nga atome silici të lidhura në një rrjet tredimensional jashtëzakonisht të rregullt. Brenda një kokrrize kristalore, ky rend ruan të njëjtin orientim.
Materiali polikristalin përmban shumë kokrriza të tilla. Njëra mund të jetë e rrotulluar me disa gradë, ndërsa një tjetër e orientuar krejtësisht në një drejtim tjetër. Brenda kokrrizës, rrjeta mbetet e rregullt, por pranë skajit të saj rreshtat e atomeve nuk mund të vazhdojnë më në mënyrë krejt të rregullt.
Zona ku takohen ato quhet kufi i kokrrizës. Mjedisi vendor i disa atomeve aty ndryshon pak, ndaj në këto zona mund të grumbullohen defekte të strukturës kristalore, papastërti dhe gjendje elektronike.
Në pamje të parë, ky dallim mund të duket i vogël, por në elektronikë është shumë i rëndësishëm: elektronet dhe vrimat lëvizin ndryshe në një rrjetë kristalore pothuajse të përsosur sesa në një material të përshkuar nga shumë kufij kokrrizash.
Thelbi i silicit polikristalin: çdo kokrrizë më vete është një kristal, por i gjithë materiali nuk është një kristal i vetëm. Ai është një bashkësi kristalesh.
Kokrrizë kristalore
Një zonë e vogël silici, ku atomet ruajnë një orientim të përbashkët kristalografik.
Grūdelių riba
Zonë ku takohen dy rrjeta kristalore me orientime të ndryshme.
Tërësia polikristaline
Shumë kokrriza bashkohen mekanikisht me njëra-tjetrën dhe formojnë një copë të vetme të vazhdueshme silici.
Gjysmëpërçues gri, me shkëlqim dhe i brishtë, vetitë elektrike të të cilit ndikohen shumë nga pastërtia, papastërtitë dhe madhësia e kokrrizave kristalore
| Simboli kimik | Si |
|---|---|
| Lloji i materialit | Gjysmëpërçues elementar polikristalin |
| Numri atomik | 14 |
| Struktura kristalore brenda kokrrizës | Strukturë kubike e tipit diamant |
| Fortësia | Rreth 6,5–7 në shkallën Mohs |
| Dendësia | Rreth 2,33 g/cm³ |
| Temperatura e shkrirjes | Rreth 1414 °C |
| Ngjyra | Gri e errët, gri në argjend, gri në kaltër ose gati e zezë |
| Shkëlqimi | Nga metalik në gjysmëmetalik |
| Vetitë mekanike | I fortë, por i brishtë |
| Tipi elektronik | Puslaidininkis |
| Gjerësia e brezit të ndaluar | Rreth 1,12 eV në temperaturën e dhomës |
| Përçueshmëria elektrike | Varet shumë nga temperatura, pastërtia dhe legirimi i kontrolluar |
| Dallimi kryesor strukturor | Shumë kristale me orientime të ndryshme, të ndara nga kufijtë e kokrrizave |
Çdo atom silici lidhet me katër atome fqinje dhe formon një rrjet tetraedrik, të ngjashëm me strukturën e diamantit
Renditje që përsëritet në tri dimensione
Në silicin kristalor, çdo atom ka katër atome silici fqinje më të afërta. Lidhjet kovalente formojnë një rrjet tredimensional tetraedrik, që përcakton si gjeometrinë e kristalit, ashtu edhe vetitë e tij gjysmëpërçuese.
Katër lidhje
Çdo atom silici ka katër elektrone valencë dhe formon katër lidhje të forta kovalente në kristal.
Gjeometria tetraedrike
Atomet fqinje janë të vendosura sipas drejtimeve të tetraedrit, ndaj rrjeta nuk është një rrjetë e thjeshtë kubike.
Struktura e diamantit
Lloji i rrjetës së silicit është në thelb i njëjtë me atë të diamantit, ndonëse atomet e silicit janë më të mëdha dhe lidhjet më të dobëta se në kristalin e karbonit.
Gjendjet elektronike
Si pasojë e renditjes periodike të atomeve, formohen brezat e energjisë valencë dhe të përçueshmërisë.
Brezi i ndaluar i gjysmëpërçuesit
Midis brezit valencë dhe brezit të përçueshmërisë mbetet një brez energjetik i ndaluar, prandaj silici nuk është as metal përçues i mirë, as izolator i zakonshëm.
Ndikimi i temperaturës
Nxehtësia mund t'u japë elektroneve energji të mjaftueshme për të kaluar në brezin e përçueshmërisë dhe për të rritur përçueshmërinë elektrike.
Në silicin polikristalin, në çdo kokrrizë përsëritet e njëjta rrjetë kubike e tipit diamant. Nuk ndryshon renditja lokale e atomeve, por orientimi i gjithë kokrrizës në hapësirë.
Sipërfaqja mozaikore e silicit polikristalin përbëhet nga zona të veçanta kristalore, të cilat e reflektojnë dritën në mënyrë të ndryshme për shkak të orientimit të ndryshëm
Një sipërfaqe, shumë kënde kristalografike
Atomet në sipërfaqen e secilës kokrrizë janë të orientuara paksa ndryshe në raport me drejtimet e dritës rënëse, gërryerjes kimike dhe përpunimit mekanik. Si rezultat, rajonet ngjitur mund të duken më të çelëta, më të errëta ose më të kaltërta.
Brenda kokrrizës
Këtu renditja e atomeve është mjaft e rregullt dhe i ngjan shumë strukturës së një monokristali.
Kufiri
Në vendin ku takohen dy rajone me orientime të ndryshme, jo të gjitha lidhjet atomike mund të vazhdojnë në një sekuencë plotësisht periodike.
Defekte kristalore
Në kufij mund të ketë lidhje të deformuara, dislokime dhe defekte të tjera të rrjetës.
Grumbullimi i papastërtive
Për disa atome të huaja është më e favorshme nga ana energjetike të grumbullohen në kufijtë e kokrrizave sesa brenda një rrjete të përsosur.
Rikombinimi i bartësve të ngarkesës
Në kufij, elektronet dhe vrimat mund të rikombinohen më lehtë, duke u shkurtuar kështu jetëgjatësia e tyre e dobishme.
Madhësia e kokrrizave
Sa më të mëdha të jenë kokrrizat, aq më pak kufij ka në të njëjtin vëllim materiali.
Kufijtë e kokrrizave nuk janë thjesht vija të dukshme. Ato janë kufij të vërtetë mes rajoneve kristalore dhe mund të ndryshojnë transportin e ngarkesës, reagimin mekanik dhe shpërndarjen e papastërtive.
Për të përftuar nga dioksidi i silicit material me pastërti të përshtatshme për elektronikë, nuk mjafton vetëm shkrirja e silicit; duhen hequr edhe pothuajse të gjitha papastërtitë e padëshiruara
Lëndë e parë e dioksidit të silicit
Procesi i prodhimit industrial zakonisht fillon me kuarc ose me një material tjetër me përmbajtje shumë të lartë të dioksidit të silicit.
Reduktimi me karbon
Në temperaturë të lartë largohet oksigjeni dhe përftohet silic elementar me pastërti metalurgjike.
Silici shndërrohet në përbërje të avullueshme
Që silici të mund të pastrohet me saktësi shumë të lartë, ai shndërrohet kimikisht në përbërje që mund të distilohen.
Përbërjet pastrohen
Me distilim ndahen substancat, pikat e vlimit dhe vetitë kimike të të cilave ndryshojnë nga ato të përbërjes së dëshiruar të silicit.
Depozitohet silic i pastër
Në temperaturë të lartë, përbërja e gaztë që përmban silic shpërbëhet dhe silici elementar depozitohet mbi një substrat të nxehur.
Përftohet polisilici
Përftohet material polikristalin shumë i pastër, i cili më vonë mund të shkrihet dhe të përdoret për rritjen e formave të tjera kristalore.
Në industri, termi polisilic shpesh nënkupton silic polikristalin shumë të pastër, lëndë e parë nga e cila më vonë mund të rriten monokristale ose të derdhen blloqe multikristalore.
Ndërsa silici i shkrirë ftohet, në shumë vende njëkohësisht shfaqen bërthama kristalore, të cilat rriten derisa preken
Silici shkrihet
Kur kalohet temperatura e shkrirjes, renditja kristalore në distancë zhduket dhe atomet lëvizin në shkrirjen e lëngët.
Temperatura fillon të bjerë
Ndërsa shkrirja ftohet, krijohen kushtet që atomet të bashkohen përsëri në një rrjetë kristalore kubike të tipit diamant.
Formohen shumë bërthama
Në vende të ndryshme të shkrirjes fillojnë të rriten kristale të veçanta silici.
Kristalet rriten
Çdo bërthamë rritet sipas orientimit të vet kristalografik, duke përfshirë gjithnjë e më shumë atome silici.
Lascarët preken
Frontet e kristaleve në rritje takohen dhe nuk mund të vazhdojnë më tej rrjetat e tyre pa bërë kompromis strukturor.
Formohen kufijtë e kokrrizave
I gjithë materiali ngurtësohet në një bllok të vetëm, por brenda tij mbeten shumë orientime të ndryshme kristalografike.
Nëse i gjithë materiali i shkrirë do të kristalizohej nga një bërthamë kristalore e vetme me orientim të përshtatshëm dhe nuk do të formoheshin bërthama të tjera, do të mund të përftohej një monokristal. Polikristali formohet kur rriten njëkohësisht shumë qendra kristalizimi.
Silici polikristalin ndihmoi që teknologjia fotovoltaike të shndërrohej në një sistem të prodhimit të energjisë në shkallë masive
Nga drita te qarku elektrik
Një foton i dritës së diellit mund t’i japë energji një elektroni të silikonit dhe ta ngacmojë atë në brezin e përcjellshmërisë. Një zonë e formuar siç duhet me fushë elektrike e ndan elektronin nga vrima që mbetet dhe e drejton ngarkesën në qarkun e jashtëm.
Përthithja e fotoneve
Drita me energji të mjaftueshme mund të krijojë një elektron të lëvizshëm dhe një bartës ngarkese pozitiv – një vrimë.
Silici i tipit p dhe i tipit n
Duke futur sasi të kontrolluara të papastërtive të ndryshme dopante, mund të 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 kufijtë e kokrrizave 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.
Sipërfaqja blu
Ngjyrën blu karakteristike për shumë qeliza diellore klasike polikristaline e theksojnë veshjet sipërfaqësore kundër reflektimit.
Një qelizë diellore polikristaline nuk është «më pak kristaline» se një qelizë monokristaline. Ajo përmban shumë kristale të vërteta – thjesht orientimet e tyre ndryshojnë dhe mes tyre ka më shumë kufij.
Shtresat e holla të silikonit polikristalin mundësojnë krijimin e transistorëve në vende ku nuk nevojitet një kristal i vetëm masiv
Transistorët me shtresë të hollë
Silici polikristalin mund të përdoret në transistorë me shtresë të hollë për ekrane dhe struktura të tjera elektronike.
Portat e qarqeve të integruara
Më parë, polisilici i dopuar fort përdorej gjerësisht si material për elektrodat e portës së transistorëve MOS.
Rezistorët
Duke kontrolluar ndërthurjen e strukturës së kokrrizave, dopimit dhe gjeometrisë së shtresës, mund të formohen rezistorë elektrikë.
Sistemet mikromekanike
Shtresat e silikonit polikristalin mund të shndërrohen në trarë, membrana dhe struktura lëvizëse mikroskopike.
Sensorët
Për shkak të vetive të tij mekanike dhe elektrike, silici polikristalin mund të përdoret në mikrosensorë presioni, lëvizjeje dhe parametrash të tjerë.
Dopimi i kontrolluar
Sasia e borit, fosforit ose papastërtive të tjera të përshtatshme dopante mund të ndryshojë përqendrimin e bartësve të lirë të ngarkesës me shumë rende madhësie.
Në elektronikë, fjala polisilic shpesh i referohet jo një cope të madhe e të shndritshme silici, por një shtrese shumë të hollë silici polikristalin, të integruar në strukturën komplekse të një mikroçipi.
Në të dy materialet, atomet lidhen njësoj, por në njërin rrjeta kristalore vazhdon pothuajse pa ndryshuar drejtim, ndërsa në tjetrin ndahet në shumë zona kristalore
Monokristal
Orientimi kristalografik është i njëjtë në pothuajse të gjithë bllokun.
Polikristal
Blloku përbëhet nga shumë zona me orientime të ndryshme kristalografike.
Kufijtë e kokrrizave
Në një monokristal, ato pothuajse mungojnë, ndërsa në një polikristal formojnë një rrjet të gjerë të brendshëm.
Transporti i elektroneve
Rendi më i përsosur i monokristalit zakonisht u lejon bartësve të ngarkesës të lëvizin duke u ndeshur me më pak pengesa strukturore.
Mënyra e rritjes
Për të prodhuar një monokristal, duhet kontrolluar rritja e një kristali të vetëm, ndërsa materiali polikristalin mund të ngurtësohet nga shumë bërthama kristalizimi.
Pamja
Në sipërfaqen e materialeve polikristaline shpesh mund të shihet një model mozaiku i formuar nga kokrrizat e veçanta.
Silici monokristalin dhe ai polikristalin nuk janë dy substanca kimike të ndryshme. Të dy mund të përbëhen nga silic elementar pothuajse i pastër – ndryshon shkalla e rendit kristalor.
Elementi, përbërjet e të cilit përbëjnë një pjesë të madhe të botës shkëmbore, u bë gjithashtu një nga themelet më të rëndësishme të qytetërimit digjital
Në natyrë, silici pothuajse kurrë nuk gjendet në formën e kristaleve të mëdha të elementit të pastër, sepse bashkohet shumë lehtë me oksigjenin. Në kuarc, feldspat dhe në minerale të panumërta silikate, ai është në gjendje të oksiduar.
Historia industriale e silicit filloi me mësimin se si të ndahej silici nga oksigjeni dhe elementet e tjera, e më pas u zhvilluan metoda gjithnjë e më të përparuara për pastrimin e tij.
Revolucionit elektronik nuk i duhej thjesht silici, por silic jashtëzakonisht i pastër me strukturë kristalore të kontrolluar. Edhe sasi shumë të vogla elementesh të padëshiruara mund t’i ndryshojnë ndjeshëm vetitë elektrike të një gjysmëpërçuesi.
Prodhimi i silicit polikristalin u bë hallka lidhëse mes kimisë së lëndëve të para dhe inxhinierisë së kristaleve. Nga silici polikristalin i pastruar i shkrirë mund të formohen blloqe për qelizat diellore ose të rriten kristale të mëdha monokristaline për mikroelektronikën.
Kështu, një nga elementet më të bollshme të kores së Tokës u bë material, për të cilin bollëku ka më pak rëndësi sesa kontrolli jashtëzakonisht i saktë i strukturës dhe pastërtisë.
Silici fitoi vlerë teknologjike kur njerëzit mësuan jo vetëm ta nxirrnin, por edhe të kontrollonin pothuajse çdo aspekt të kristalit të tij – nga papastërtitë te orientimi i atomeve.
Qyteti i kristaleve të shumta
Në silicin e shkrirë, pothuajse në të njëjtën kohë, u formuan 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.
Por temperatura vazhdoi të binte dhe kristalet vazhduan të rriteshin.
Më në fund, skajet e tyre u takuan.
Rrjetat e tyre nuk përputheshin në mënyrë të përsosur. Mes tyre u krijua një kufi.
„E sheh? – tha i pari. – Ne jemi ende të ndryshëm.“
„Po, – u përgjigj i dyti. – Por tani kufiri ynë nuk është boshllëk. Ai u bë vendi ku u bashkuam.“
Kai visas lydalas sukietėjo, vieno tobulo kristalo nebuvo. Jų buvo milijonai – ir kartu jie tapo viena veikiančia medžiaga.
Tai nėra senovinė legenda. Tai kūrybinis pasakojimas, įkvėptas tikrojo grūdelių augimo polikristaliniame silicyje.
Daugybės krypčių vienybė, gebėjimas išlaikyti savitą struktūrą ir kartu kurti didesnę sistemą, veikiančią visų jos dalių dėka
Šiuolaikinėje simbolinėje kalboje polikristalinis silicis gali būti siejamas su bendradarbiavimu, sudėtingų sistemų kūrimu, skirtingų gebėjimų integravimu ir supratimu, kad vienybė nebūtinai reiškia vienodumą. Tai kūrybinė interpretacija, o ne moksliškai įrodytas poveikis žmonėms.
Atskiras grūdelis
Kiekviena žmogaus gyvenimo dalis gali turėti savo kryptį ir vis tiek priklausyti didesnei visumai.
Grūdelių riba
Dviejų žmonių ar idėjų skirtumas gali tapti ne tik konflikto šaltiniu, bet ir pačia jų susijungimo vieta.
Kristalizacija
Tvarka gali rastis vienu metu daugelyje vietų, o vėliau susijungti į vieną sistemą.
Puslaidininkis
Gebėjimas kontroliuoti, kada energija teka, o kada jos srautas sustoja, gali simbolizuoti sąmoningai nustatytas ribas ir kryptingą veikimą.
Saulės elementas
Iš išorės gaunamą energiją galima ne tik sugerti, bet ir paversti naudingu darbu.
Mozaikinė visuma
Sudėtinga sistema neprivalo slėpti skirtingų savo dalių – kartais būtent jos sukuria įdomiausią jos struktūrą.
Bendros struktūros ritualas
Ši sausa simbolinė praktika skirta situacijai, kai turite keletą skirtingų užduočių, gebėjimų ar žmonių ir norite suprasti, kaip juos sujungti į vieną veikiančią sistemą, neverčiant visų dalių tapti vienodomis.
Ko reikės
- vieno polikristalinio silicio pavyzdžio;
- popieriaus lapo;
- rašiklio;
- vienos sistemos ar projekto, kurį norėtumėte veiksmingiau organizuoti.
Grūdeliai
Lape nubrėžkite kelias atskiras sritis ir kiekvienoje įrašykite po vieną projekto dalį, žmogų, gebėjimą ar atsakomybę.
Kryptys
Šalia kiekvienos dalies pažymėkite, ką ji daro geriausiai ir kurios jos krypties nereikėtų prievarta keisti.
Ribos
Tarp gretimų sričių užrašykite, kokia informacija, ištekliai ar sprendimai turi pereiti iš vienos į kitą.
Defektų vietos
Pažymėkite vieną sąsają, kurioje šiuo metu prarandama daugiausia laiko, energijos ar aiškumo.
Tvirtesnis ryšys
Pasirinkite vieną nedidelį pokytį, kuris pagerintų sąveiką ties šia konkrečia riba: aiškesnę taisyklę, geresnį informacijos perdavimą ar paprastesnį procesą.
Kartojami žodžiai
Padėkite polikristalinį silicį diagramos centre ir tris kartus ištarkite:
Išsaugau kiekvieną kryptį ir stiprinu kiekvieną ryšį,
iš daugybės atskirų dalių kuriu jas pranokstančią veikiančią visumą.
Užbaigimas
Ištarkite: „Vienybei nereikia vienodumo. Kiekviena dalis gali išlaikyti savo kryptį, o aš stiprinu vietas, kuriose jos susitinka.“
Dažniausiai užduodami klausimai apie polikristalinį silicį
Kas yra polikristalinis silicis?
Wie lautet seine chemische Formel?
Worin unterscheidet sich polykristallines Silizium von monokristallinem Silizium?
Was ist eine Korngrenze?
Ist jedes Korn aus polykristallinem Silizium ein echter Kristall?
Wie hart ist Silizium?
Wie hoch ist seine Dichte?
Warum sieht polykristallines Silizium wie ein Mosaik aus?
Was ist Polysilizium?
Wird polykristallines Silizium in Solarzellen verwendet?
Warum sind Korngrenzen in Solarzellen wichtig?
Wird Polysilizium in der Mikroelektronik verwendet?
Was symbolisiert polykristallines Silizium in der modernen Vorstellungswelt?
Polykristallines Silizium zeigt, dass sich eine funktionierende Struktur schaffen lässt, ohne Unterschiede zu beseitigen, sondern indem man die Stellen, an denen verschiedene Richtungen aufeinandertreffen, sorgfältig organisiert.
Seine Geschichte beginnt mit demselben Siliziumatom, das in der Natur meist in Quarz und Silikatmineralien verborgen ist.
Gereinigtes und geschmolzenes Silizium beginnt beim Abkühlen an vielen Stellen gleichzeitig zu kristallisieren.
Jeder Kristall wächst in seine eigene Richtung. Treffen sie aufeinander, bilden sie Korngrenzen und werden gemeinsam zu einem festen polykristallinen Körper.
In der Welt der Technologie verbindet dieses Material Chemie, Kristallphysik, Solarenergie und Mikroelektronik. In symbolischer Sprache kann es daran erinnern, dass ein komplexes Ganzes nicht unbedingt eine einzige Richtung braucht – manchmal zeigt sich seine Stärke gerade darin, dass viele verschiedene Kristalle lernen, in einem Körper zusammenzuexistieren.