Polikristalni silicijum
Linas JuozėnasДелити
Polikristalni silicijum
Polikristalni silicijum je kristalni materijal silicijuma sastavljen od mnoštva pojedinačnih kristala silicijuma, nazvanih zrna. U svakom zrnu atomi su raspoređeni u uređenoj kubičnoj rešetki dijamantskog tipa, ali su rešetke susednih zrna zarotirane pod različitim uglovima. Tamo gde se susreću nastaju granice zrna. Upravo ova polikristalna struktura razlikuje polikristalni silicijum od monokristalnog i daje mu karakterističnu mozaičnu površinu. Ovaj materijal postao je jedna od najvažnijih karika između sirovog kvarca, solarnih ćelija, mikroelektronike i izuzetno čistih kristala silicijuma.
Hemijski je to isti silicijum, ali umesto jedne neprekinute kristalne orijentacije sadrži hiljade ili milione manjih kristalnih oblasti
Čisti kristalni silicijum čine atomi silicijuma povezani u izuzetno uređenu trodimenzionalnu mrežu. Unutar jednog kristalnog zrna ovaj raspored zadržava istu orijentaciju.
Polikristalni materijal sadrži mnoštvo takvih zrna. Jedno može biti zarotirano za nekoliko stepeni, a drugo orijentisano sasvim drugačije. Unutar zrna rešetka ostaje uređena, ali kako se približavamo njegovoj ivici, nizovi atoma više ne mogu da se nastavljaju potpuno pravilno.
Mesto gde se susreću naziva se granica zrna. Lokalno okruženje nekih atoma tu se neznatno razlikuje, pa se u tim oblastima mogu nagomilavati defekti kristalne strukture, primese i elektronska stanja.
Na prvi pogled ova razlika može delovati neznatno, ali u elektronici je veoma važna: elektroni i šupljine kreću se drugačije kroz gotovo savršenu kristalnu rešetku nego kroz materijal ispresecan brojnim granicama zrna.
Suština polikristalnog silicijuma: svako pojedinačno zrno je kristal, ali ceo materijal nije jedan kristal. To je zajednica mnogih kristala.
Kristalno zrno
Mala oblast silicijuma u kojoj atomi zadržavaju jednu zajedničku kristalografsku orijentaciju.
Granica zrna
Oblast u kojoj se susreću dve različito zakrenute kristalne rešetke.
Polikristalna celina
Mnoga zrna mehanički srastaju i formiraju jedan neprekinuti komad silicijuma.
Siv, sjajan, krt poluprovodnik čija električna svojstva u velikoj meri zavise od čistoće, primesa i veličine kristalnih zrna
| Hemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluprovodnik |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura unutar zrna | Kubna struktura dijamantskog tipa |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 po Mosovoj skali |
| Gustina | Oko 2,33 g/cm³ |
| Temperatura topljenja | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiva, srebrnosiva, plavičastosiva ili gotovo crna |
| Sjaj | Od metalnog do polumetalnog |
| Mehanička svojstva | Čvrst, ali krt |
| Elektronski tip | Poluprovodnik |
| Širina zabranjene zone | Oko 1,12 eV na sobnoj temperaturi |
| Električna provodljivost | U velikoj meri zavisi od temperature, čistoće i kontrolisanog dopiranja |
| Glavna strukturna razlika | Mnoga zrna različite orijentacije, razdvojena granicama zrna |
Svaki atom silicijuma vezuje se za četiri susedna atoma i formira tetraedarsku mrežu nalik dijamantskoj strukturi
Ponavljajući raspored u tri dimenzije
U kristalnom silicijumu svaki atom ima četiri najbliža susedna atoma silicijuma. Kovalentne veze formiraju trodimenzionalnu tetraedarsku mrežu koja određuje i geometriju kristala i njegova poluprovodnička svojstva.
Četiri veze
Svaki atom silicijuma ima četiri valentna elektrona i u kristalu stvara četiri jake kovalentne veze.
Tetraedarska geometrija
Susedni atomi raspoređeni su u pravcima tetraedra, pa rešetka nije obična kubna mreža.
Dijamantska struktura
Tip rešetke silicijuma u osnovi je isti kao kod dijamanta, iako su atomi silicijuma veći, a veze slabije nego u kristalu ugljenika.
Elektronska stanja
Periodični raspored atoma stvara valentnu i provodnu energetsku zonu.
Zabranjena zona poluprovodnika
Između valentne i provodne zone ostaje zabranjena energetska zona, pa silicijum nije ni dobro provodan metal ni uobičajeni izolator.
Uticaj temperature
Toplota može elektronima da obezbedi dovoljno energije da pređu u provodnu zonu i povećaju električnu provodljivost.
U polikristalnom silicijumu u svakom zrnu ponavlja se ista kubna rešetka dijamantskog tipa. Ne razlikuje se lokalni raspored atoma, već orijentacija celog zrna u prostoru.
Površinu polikristalnog silicijuma, nalik mozaiku, čine pojedinačne kristalne oblasti koje zbog različite orijentacije nejednako odbijaju svetlost
Jedna površina, mnogo kristalografskih uglova
Površinski atomi svakog zrna malo se razlikuju po orijentaciji u odnosu na smer upadne svetlosti, hemijskog nagrizanja i mehaničke obrade. Zbog toga susedne oblasti mogu izgledati svetlije, tamnije ili plavičastije.
Unutar zrna
Ovde je raspored atoma prilično pravilan i veoma podseća na strukturu monokristala.
Granica
Tamo gde se susreću dve oblasti različite orijentacije, ne mogu se sve atomske veze nastaviti u potpuno pravilnom nizu.
Kristalni defekti
Na granicama mogu postojati izobličene veze, dislokacije i drugi defekti rešetke.
Nakupljanje nečistoća
Nekim stranim atomima energetski je povoljnije da se nagomilavaju na granicama zrna nego unutar savršene rešetke.
Rekombinacija nosilaca naelektrisanja
Na granicama se elektroni i šupljine mogu lakše rekombinovati, čime se skraćuje njihov korisni životni vek.
Veličina zrna
Što su zrna veća, to je manje granica u istoj zapremini materijala.
Granice zrna nisu samo vidljive linije. To su stvarni spojevi kristalnih oblasti koji mogu da utiču na prenos naelektrisanja, mehanički odziv i raspodelu nečistoća.
Da bi se od silicijum-dioksida dobio materijal čistoće pogodne za elektroniku, nije dovoljno samo istopiti silicijum; potrebno je ukloniti i gotovo sve neželjene nečistoće
Sirovina od silicijum-dioksida
Industrijski proizvodni proces obično počinje kvarcom ili drugim materijalom koji sadrži mnogo silicijum-dioksida.
Redukcija ugljenikom
Na visokoj temperaturi uklanja se kiseonik i dobija se elementarni silicijum metalurške čistoće.
Silicijum se pretvara u isparljiva jedinjenja
Da bi se silicijum prečistio uz izuzetnu preciznost, hemijski se pretvara u jedinjenja koja se mogu destilovati.
Jedinjenja se prečišćavaju
Destilacijom se odvajaju supstance čija se tačka ključanja i hemijska svojstva razlikuju od željenog jedinjenja silicijuma.
Taloži se čist silicijum
Na visokoj temperaturi gasovito jedinjenje koje sadrži silicijum se razlaže, a elementarni silicijum se taloži na zagrejanoj podlozi.
Dobija se polisilicijum
Dobija se veoma čist polikristalni silicijum, koji se kasnije može istopiti i upotrebiti za uzgoj drugih kristalnih oblika.
U industriji se termin polisilicijum često odnosi na veoma čist polikristalni silicijum - sirovinu iz koje se kasnije mogu uzgajati monokristali ili liti polikristalni ingoti.
Dok se rastopljeni silicijum hladi, nukleusi kristala pojavljuju se istovremeno na mnogim mestima i rastu dok se ne dodirnu
Silicijum se topi
Kada se pređe temperatura topljenja, daleki kristalni red nestaje, a atomi se kreću u tečnoj talini.
Temperatura počinje da opada
Dok se talina hladi, stvaraju se uslovi da se atomi ponovo povežu u kristalnu rešetku kubnog tipa dijamanta.
Nastaje mnogo nukleusa
Na različitim mestima u talini počinju da rastu zasebni kristali silicijuma.
Kristali rastu
Svaki nukleus raste u sopstvenoj kristalografskoj orijentaciji, vezujući sve više atoma silicijuma.
Zrna se dodiruju
Фронтови растућих кристала сусрећу се и више не могу да наставе своје решетке без структурног компромиса.
Настају границе зрна
Цео материјал се стврдне у један јединствен блок, али у његовој унутрашњости остаје много различитих кристалографских оријентација.
Ако би се целокупна растопљена маса кристалисала из једног правилно оријентисаног кристалног семена и не би се створила додатна језгра, могао би се добити монокристал. Поликристал настаје када истовремено расте много центара кристализације.
Поликристални силицијум је помогао да се фотонапонска технологија претвори у систем за производњу енергије у индустријским размерама
Од светлости до електричног кола
Фотон сунчеве светлости може да преда енергију електрону у силицијуму и побуди га у проводни појас. Правилно обликована област електричног поља одваја електрон од преостале шупљине и усмерава наелектрисање у спољашње коло.
Апсорпција фотона
Светлост довољне енергије може да створи покретни електрон и позитивног носиоца наелектрисања – шупљину.
Силицијум p-типа и n-типа
Увођењем контролисаних количина различитих легирајућих примеса могу се створити области са различитим концентрацијама носилаца наелектрисања.
p–n спој
Електрично поље настало на споју две области помаже у раздвајању носилаца наелектрисања насталих деловањем светлости.
Губици на границама зрна
Део електрона и шупљина може да се рекомбинује на границама зрна пре него што стигне до електрода.
Крупна зрна
Крупнија кристална зрна смањују број граница и обично помажу у очувању бољих електронских својстава.
Плава површина
Плаву боју карактеристичну за многе класичне поликристалне соларне ћелије појачавају површински премази који смањују рефлексију.
Поликристална соларна ћелија није „мање кристална“ од монокристалне. Она садржи много правих кристала – само им се оријентације разликују, а између њих има више граница.
Танки слојеви поликристалног силицијума омогућавају израду транзистора тамо где није потребан масивни монокристал
Танкослојни транзистори
Поликристални силицијум може да се користи у танкослојним транзисторима за екране и друге електронске структуре.
Гејтови интегрисаних кола
Раније се високо легирани полисилицијум широко користио као материјал за електроде гејта MOS транзистора.
Отпорници
Контролом комбинације структуре зрна, легирања и геометрије слоја могу се формирати електрични отпорници.
Микромеханички системи
Слојеви поликристалног силицијума могу да постану микроскопске греде, мембране и покретне структуре.
Сензори
Због својих механичких и електричних својстава, поликристални силицијум може да се користи у микросензорима притиска, кретања и других параметара.
Контролисано легирање
Количина бора, фосфора или других одговарајућих легирајућих примеса може да промени концентрацију слободних носилаца наелектрисања за више редова величине.
У електроници реч полисилицијум често означава не велики сјајни комад силицијума, већ веома танак слој поликристалног силицијума интегрисан у сложену структуру микрочипа.
U oba materijala atomi se vezuju na isti način, ali se u jednom kristalna rešetka nastavlja gotovo bez promene pravca, dok je u drugom podeljena na mnoge kristalne oblasti
Monokristal
Kristalografska orijentacija gotovo celog ingota je ista.
Polikristal
Ingot se sastoji od mnogih oblasti različitih kristalografskih orijentacija.
Granice zrna
U monokristalu ih gotovo nema, dok u polikristalu čine široku unutrašnju mrežu.
Prenos elektrona
Savršenije uređenje monokristala obično omogućava nosiocima naelektrisanja da se kreću uz manje strukturnih prepreka.
Način rasta
Za proizvodnju monokristala potrebno je kontrolisati rast jednog kristala, dok polikristalni materijal može očvrsnuti iz mnogih kristalizacionih zametaka.
Izgled
Na površini polikristalnog materijala često se može videti mozaični šare koje formiraju pojedinačna zrna.
Monokristalni i polikristalni silicijum nisu dve različite hemijske supstance. Oba mogu biti sastavljena od gotovo čistog elementarnog silicijuma – razlikuju se po obimu kristalnog uređenja.
Element čija jedinjenja čine veliki deo sveta stena postao je i jedan od najvažnijih temelja digitalne civilizacije
U prirodi se silicijum gotovo nikada ne nalazi u obliku velikih kristala čistog elementa, jer se veoma lako vezuje za kiseonik. U kvarcu, feldspatima i bezbrojnim silikatnim mineralima nalazi se u oksidovanom stanju.
Industrijska istorija silicijuma počela je učenjem kako da se silicijum odvoji od kiseonika i drugih elemenata, a zatim su razvijane sve naprednije metode njegovog prečišćavanja.
Za revoluciju u elektronici nije bio potreban bilo kakav silicijum, već izuzetno čist silicijum sa kontrolisanom kristalnom strukturom. Čak i veoma male količine neželjenih elemenata mogu znatno da promene električna svojstva poluprovodnika.
Proizvodnja polikristalnog silicijuma postala je veza između hemije sirovina i inženjeringa kristala. Od rastopljenog prečišćenog polikristalnog silicijuma mogu se oblikovati ingoti za solarne ćelije ili se on može koristiti za uzgoj velikih monokristala namenjenih mikroelektronici.
Tako je jedan od najzastupljenijih elemenata Zemljine kore postao materijal čija zastupljenost znači manje od izuzetno precizne kontrole strukture i čistoće.
Silicijum je stekao tehnološku vrednost kada su ljudi naučili ne samo da ga izdvajaju već i da kontrolišu gotovo svaki aspekt njegovog kristala – od primesa do orijentacije atoma.
Grad mnogih kristala
U rastopljenom silicijumu gotovo istovremeno nastalo je nekoliko malih kristala.
Svaki je počeo da raste u svom smeru.
„Ako svi ne budemo orijentisani na isti način, nikada nećemo postati jedno telo“, rekao je prvi kristal.
Međutim, temperatura je nastavila da opada, a kristali su postajali sve veći.
Na kraju su se njihove ivice spojile.
Njihove rešetke nisu se savršeno poklapale. Između njih se pojavila granica.
„Vidiš? – rekao je prvi. – I dalje smo različiti.“
„Da, – odgovorio je drugi. – Ali sada naša granica nije razmak. Postala je mesto na kojem smo se spojili.“
Kada se ceo rastop očvrsnuo, nije postojao jedan savršen kristal. Bilo ih je na milione – i zajedno su postali jedan funkcionalan materijal.
Ovo nije drevna legenda. To je kreativna priča nadahnuta stvarnim rastom zrna u polikristalnom silicijumu.
Jedinstvo mnogih pravaca, sposobnost očuvanja sopstvene strukture i istovremenog stvaranja većeg sistema koji funkcioniše zahvaljujući svim svojim delovima
U savremenom simboličkom jeziku, polikristalni silicijum može da se poveže sa saradnjom, stvaranjem složenih sistema, integracijom različitih sposobnosti i razumevanjem da jedinstvo ne znači nužno istovetnost. Ovo je kreativno tumačenje, a ne naučno dokazan uticaj na ljude.
Zasebno zrno
Svaki deo nečijeg života može da ima svoj pravac, a da ipak bude deo veće celine.
Granica zrna
Razlika između dvoje ljudi ili ideja može da bude ne samo izvor sukoba već i samo mesto njihovog povezivanja.
Kristalizacija
Red može da nastane istovremeno na mnogim mestima, a zatim da se objedini u jedan sistem.
Poluprovodnik
Sposobnost da kontrolišemo kada energija teče, a kada se njen tok zaustavlja, može da simbolizuje svesno postavljene granice i usmereno delovanje.
Solarna ćelija
Energija koja dolazi spolja ne može samo da se apsorbuje već i da se pretvori u koristan rad.
Mozaička celina
Složen sistem ne mora da skriva svoje različite delove – ponekad upravo oni stvaraju njegovu najzanimljiviju strukturu.
Ritual zajedničke strukture
Ova suva simbolička vežba namenjena je situacijama kada imate nekoliko različitih zadataka, sposobnosti ili ljudi i želite da razumete kako da ih povežete u jedan funkcionalan sistem, a da ne primoravate sve delove da postanu isti.
Šta će vam biti potrebno
- jednog uzorka polikristalnog silicijuma;
- lista papira;
- olovke;
- jednog sistema ili projekta koji biste želeli efikasnije da organizujete.
Zrna
Na papiru nacrtajte nekoliko zasebnih oblasti i u svaku upišite po jedan deo projekta, osobu, sposobnost ili odgovornost.
Pravci
Pored svakog dela označite šta najbolje radi i čiji pravac ne bi trebalo menjati na silu.
Granice
Zapišite između susednih oblasti koje informacije, resursi ili odluke treba da pređu iz jedne u drugu.
Mesta defekata
Označite jednu tačku povezivanja na kojoj se trenutno gubi najviše vremena, energije ili jasnoće.
Čvršća veza
Izaberite jednu malu promenu koja bi unapredila saradnju na ovoj konkretnoj granici: jasnije pravilo, bolji prenos informacija ili jednostavniji proces.
Ponavljane reči
Postavite polikristalni silicijum u središte dijagrama i tri puta izgovorite:
Čuvam svaki pravac i jačam svaku vezu,
od brojnih zasebnih delova stvaram funkcionalnu celinu koja ih nadilazi.
Završetak
Izgovorite: „Jedinstvu nije potrebna istovetnost. Svaki deo može da zadrži svoj pravac, a ja jačam mesta na kojima se oni susreću.“
Često postavljana pitanja o polikristalnom silicijumu
Šta je polikristalni silicij?
Koja je njegova hemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicijum razlikuje od monokristalnog silicijuma?
Šta je granica zrna?
Da li je svako zrno polikristalnog silicijuma pravi kristal?
Kolika je tvrdoća silicijuma?
Kolika je njegova gustina?
Zašto polikristalni silicijum izgleda poput mozaika?
Šta je polisilicijum?
Da li se polikristalni silicijum koristi u solarnim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne u solarnim ćelijama?
Da li se polisilicijum koristi u mikroelektronici?
Šta polikristalni silicijum simbolizuje u savremenoj mašti?
Polikristalni silicijum pokazuje da se funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, već pažljivim organizovanjem mesta na kojima se susreću različiti pravci
Njegova priča počinje istim atomom silicijuma, koji se u prirodi najčešće krije u kvarcu i silikatnim mineralima.
Prečišćeni i rastopljeni silicijum počinje da kristališe na mnogim mestima istovremeno dok se hladi.
Svaki kristal raste u svom pravcu, a kada se sretnu, obrazuju granice zrna i zajedno postaju jedno čvrsto polikristalno telo.
U svetu tehnologije ovaj materijal povezuje hemiju, fiziku kristala, solarnu energetiku i mikroelektroniku. Simbolički, može da podseti da složena celina ne mora nužno da ima samo jedan pravac – ponekad se njena snaga otkriva upravo zato što mnoštvo različitih kristala nauči da postoji u jednom telu.