Polikristalni silicijum
Linas JuozenasPodeli
Polikristalni silicijum
Polikristalni silicijum je materijal od kristalnog silicijuma sastavljen od mnoštva pojedinačnih kristala silicijuma, koji se nazivaju zrnima. U svakom zrnu atomi su raspoređeni u uređenoj dijamantskoj rešetki, ali su rešetke susednih zrna zakrenute pod različitim uglovima. Na mestima njihovog susreta nastaju granice zrna. Upravo ova višekristalna struktura razlikuje polikristalni silicijum od monokristalnog silicijuma i daje mu karakterističnu mozaičnu površinu. Ovaj materijal postao je jedna od najvažnijih međufaza između kvarcne sirovine, solarnih ćelija, mikroelektronike i izuzetno čistih kristala silicijuma.
Hemijski je to isti silicijum, ali umesto jedne neprekidne kristalne orijentacije u njemu postoje hiljade ili milioni manjih kristalnih oblasti
Čisti kristalni silicijum sastoji se od atoma silicijuma povezanih u veoma uređenu trodimenzionalnu mrežu. U jednom kristalnom zrnu taj red se nastavlja u jednoj orijentaciji.
U polikristalnom materijalu ima mnogo takvih zrna. Jedno može biti zakrenuto za nekoliko stepeni, a drugo – u potpuno drugom smeru. Dok smo unutar jednog zrna, rešetka ostaje uređena, ali kada se približimo njegovoj ivici, nizovi atoma više ne mogu da se nastave savršeno.
Mesto susreta naziva se granica zrna. Na njoj deo atoma ima nešto drugačije susedstvo, pa se tu mogu koncentrisati kristalni defekti, primesе i elektronska stanja.
Ova razlika na prvi pogled deluje mala, ali je važna za elektroniku: elektroni i šupljine kreću se drugačije kroz savršenu kristalnu rešetku nego kroz mnoštvo njenih granica.
Suština polikristalnog silicijuma: svako pojedinačno zrno je kristal, ali čitav materijal nije jedan kristal. On 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 kristalne rešetke različito zakrenute.
Polikristalna celina
Mnoštvo zrna mehanički srasta i obrazuje kompaktan komad silicijuma.
Siv, sjajan i krt poluprovodnički materijal čije električno ponašanje u velikoj meri menjaju čistoća, primesе i veličina kristalnih zrna
| Hemijski simbol | Si |
|---|---|
| Vrsta materijala | Polikristalni elementarni poluprovodnik |
| Atomski broj | 14 |
| Kristalna struktura u zrnu | Dijamantska kubna struktura |
| Tvrdoća | Približno 6,5–7 prema Mosovoj skali |
| Gustina | Oko 2,33 g/cm³ |
| Temperatura topljenja | Oko 1414 °C |
| Boja | Tamnosiva, srebrnosiva, plavičastosiva ili crnkasta |
| Sjaj | Metalni ili polumetalni sjaj |
| 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 | Mnoštvo kristalnih orijentacija i granice zrna koje ih razdvajaju |
Svaki atom silicijuma povezuje se sa četiri suseda, stvarajući tetraedarsku mrežu sličnu strukturi dijamanta.
Red koji se ponavlja u tri pravca
U kristalnom silicijumu svaki atom ima četiri najbliža atoma silicijuma za susede. Kovalentne veze grade prostornu mrežu tetraedara, 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 raspoređuju se u smerovima tetraedra, pa rešetka nije jednostavna kubna mreža.
Dijamantska struktura
Tip rešetke silicijuma isti je kao kod dijamanta, iako su atomi silicijuma veći, a veze slabije nego u kristalu ugljenika.
Stanja elektrona
Periodični raspored atoma stvara valentne i provodne energetske zone.
Procep poluprovodnika
Između valentne i provodne zone postoji energetski procep, pa silicijum nije ni dobar metal ni uobičajeni izolator.
Uticaj temperature
Toplota može dati elektronima dovoljno energije da pređu u provodnu zonu i povećaju provodljivost.
U polikristalnom silicijumu ista dijamantska rešetka ponavlja se u svakom zrnu. Ne razlikuje se lokalni raspored atoma, već orijentacija celog zrna u prostoru.
Mozaičnu površinu polikristalnog silicijuma stvaraju zasebne kristalne oblasti koje različito odbijaju svetlost zbog različite orijentacije.
Jedna površina, mnoštvo kristalografskih uglova
Atomi na površini svakog zrna malo su drugačije orijentisani u odnosu na svetlost, hemijsko nagrizanje i mehaničku obradu. Zbog toga susedne oblasti mogu izgledati svetlije, tamnije ili plavičastije.
Unutrašnjost zrna
Atomski raspored ovde je prilično pravilan i sličan strukturi monokristala.
Граница
Када се сусретну две оријентације, не могу се све атомске везе наставити у идеалном периодичном низу.
Кристални дефекти
На границама могу постојати изобличене везе, дислокације и друге несавршености решетке.
Нагомилавање примеса
Неки страни атоми се енергетски повољније накупљају на границама зрна него у савршеној решетки.
Рекомбинација носилаца наелектрисања
Електрони и шупљине на границама могу лакше да се рекомбинују, па се њихов корисни животни век смањује.
Величина зрна
Што су зрна већа, то на исту запремину материјала отпада мање граница.
Границе зрна нису само видљиве линије. Оне су стварни кристални спојеви који могу да мењају кретање електричног наелектрисања, механички одзив и расподелу примеса.
Пут од силицијум-диоксида до материјала погодног за електронику захтева не само топљење силицијума већ и уклањање готово свих страних примеса
Сировина силицијум-диоксида
Индустријски поступак најчешће почиње од кварца или другог материјала веома богатог силицијум-диоксидом.
Редукција угљеником
На високој температури уклања се кисеоник, чиме се добија елементарни силицијум металуршког квалитета.
Силицијум се претвара у испарљива једињења
Да би се могао изузетно прецизно пречистити, силицијум се хемијски претвара у једињења која се могу дестиловати.
Једињења се пречишћавају
Дестилацијом се одвајају материје чије се температуре кључања и хемијско понашање разликују од жељеног једињења силицијума.
Таложи се чист силицијум
На високој температури гасовито једињење које садржи силицијум се разлаже, а елементарни силицијум се таложи на загрејаној подлози.
Добија се полисилицијум
Добија се веома чист поликристални силицијумски материјал, који се касније може топити и користити за узгој других кристалних облика.
Термин „полисилицијум“ у индустрији често означава веома чист поликристални силицијум – сировину од које се касније узгајају монокристали или ливе поликристални инготи.
Како се растопљени силицијум хлади, на многим местима истовремено настају кристална језгра, која расту све док се не сусретну
Силицијум се топи
Изнад температуре топљења дугорочни кристални поредак нестаје и атоми се крећу у течном растопу.
Температура почиње да опада
Како се хлади, стварају се услови да се атоми поново повежу у кристалну дијамантску решетку.
Формира се много језгара
На различитим местима у растопу почињу да расту одвојени кристали силицијума.
Кристали се шире
Свако језгро расте у сопственој кристалографској оријентацији, везујући све више атома силицијума.
Зрна се сусрећу
Фронтови растућих кристала достижу један други и више не могу да наставе своје решетке без структурног компромиса.
Формирају се границе зрна
Целокупан материјал очвршћава у јединствени блок, али у њему остају бројне одвојене кристалне оријентације.
Kada bi se cela talina primorala da raste iz jednog pravilno orijentisanog kristalnog jezgra, a druga jezgra se ne bi formirala, mogao bi se dobiti monokristal. Polikristal nastaje kada istovremeno raste mnogo kristalnih centara.
Polikristalni silicijum pomogao je da se fotonaponska tehnologija pretvori u masovni sistem za proizvodnju energije
Od svetlosti do električnog kola
Solarni foton može preneti energiju elektronu u silicijumu i podići ga u provodnu zonu. Pravilno oblikovana oblast električnog polja razdvaja elektron od preostale šupljine i usmerava naelektrisanje u spoljašnje električno kolo.
Apsorpcija fotona
Svetlost dovoljne energije može stvoriti pokretan elektron i pozitivan nosilac naelektrisanja – šupljinu.
Silicijum p i n tipa
Kontrolisanim unošenjem različitih primesa stvaraju se oblasti sa različitim koncentracijama nosilaca naelektrisanja.
p–n spoj
Električno polje nastalo na spoju dve oblasti pomaže u razdvajanju nosilaca naelektrisanja koje je stvorila svetlost.
Gubici na granicama zrna
Deo elektrona i šupljina može rekombinovati na granicama pre nego što stigne do elektroda.
Velika zrna
Veća kristalna zrna smanjuju broj granica i obično pomažu u očuvanju boljih elektronskih svojstava.
Plava površina
Plavu boju karakterističnu za mnoge klasične polikristalne solarne elemente pojačavaju antirefleksni površinski slojevi.
Polikristalni solarni element nije „manje kristalan“ od monokristalnog. U njemu ima mnogo pravih kristala – samo su njihove orijentacije različite i između njih ima više granica.
Tanki slojevi polikristalnog silicijuma omogućavaju izradu tranzistora tamo gde upotreba masivnog monokristala nije neophodna
Tankoslojni tranzistori
Polikristalni silicijum može se koristiti u tankoslojnim tranzistorima ekrana i drugim elektronskim strukturama.
Gejtovi mikročipova
Istorijski se jako dopirani polisilicijum široko koristio u elektrodama gejtova MOS tranzistora.
Otpornici
Kontrolisana kombinacija veličine zrna, dopiranja i geometrije sloja omogućava oblikovanje električnih otpornika.
Mikromehanički sistemi
Slojevi polikristalnog silicijuma mogu postati mikroskopske grede, membrane i pokretne konstrukcije.
Senzori
Mehanička i električna svojstva omogućavaju upotrebu polisilicijuma u mikrosenzorima pritiska, kretanja i drugih parametara.
Kontrolisano dopiranje
Količina bora, fosfora ili drugih odgovarajućih primesa omogućava promenu koncentracije slobodnih nosilaca naelektrisanja za više redova veličine.
U elektronici reč „polisilicijum“ često ne označava veliki sjajni komad silicijuma, već veoma tanak sloj polikristalnog silicijuma integrisan u složenu strukturu mikročipa.
Atomi oba materijala povezuju se na isti način, ali se u jednom kristalna rešetka proteže gotovo bez promene pravca, dok je u drugom podeljena na mnoštvo kristalnih oblasti
Монокристал
Готово цео припремак има једну заједничку кристалографску оријентацију.
Поликристал
Припремак се састоји од мноштва одвојених кристалних оријентација.
Границе зрна
У монокристалу их готово нема, док у поликристалу чине целокупну унутрашњу мрежу.
Кретање електрона
Савршенији поредак монокристала обично омогућава носиоцима наелектрисања да се крећу уз мање структурних препрека.
Пут производње
За монокристал је потребно контролисати раст једног кристала, док поликристални материјал може очврснути из великог броја језгара.
Изглед
На поликристалној површини често се може видети мозаички узорак појединачних зрна.
Монокристал и поликристал нису две различите хемијске супстанце. Оба могу бити готово чист силицијум у елементарном облику – разликује се обим њиховог кристалног уређења.
Елемент чија једињења чине највећи део стена на свету постао је и један од најважнијих темеља дигиталне цивилизације
У природи се силицијум готово никада не налази у облику великих кристала чистог елемента, јер се веома лако везује са кисеоником. Кварц, фелдспати и бројни силикати чувају га у оксидованом стању.
Индустријска историја силицијума започела је способношћу да се силицијум одвоји од кисеоника и других елемената, а затим и све напреднијим пречишћавањем.
Електронској револуцији није био потребан тек силицијум, већ силицијум изузетне чистоће и контролисане кристалне структуре. Чак и веома мале количине нежељених елемената могу значајно променити електрична својства полупроводника.
Производња полисилицијума постала је спона између хемије сировина и инжењеринга кристала. Од пречишћеног полисилицијума могу се лити припремци за соларне ћелије или узгајати велики монокристали за микроелектронику.
Тако је један од најраспрострањенијих елемената Земљине коре постао материјал код којег нису важни обиље, већ изузетно прецизно контролисана структура и чистоћа.
Технолошка вредност силицијума појавила се онда када су људи научили не само да га издвајају већ и да контролишу готово сваки аспект његовог кристала – од примеса до оријентације атома.
Град од многобројних кристала
У течном силицијуму готово истовремено настало је неколико малих кристала.
Сваки је почео да расте у свом смеру.
„Ако сви нисмо окренути у истом смеру, никада нећемо постати једно тело“, рекао је први кристал.
Међутим, температура је наставила да пада, а кристали су се ширили.
На крају су се њихове ивице сусреле.
Решетке се нису савршено поклапале. Између њих се појавила граница.
„Видиш?“ – рекао је први. „И даље смо различити.“
„Да“, одговорио је други. „Али сада наша граница није празнина. Постала је место где смо се спојили.“
Када се сва растопљена маса стврдла, није настао један савршени кристал. Били су то милиони њих – и сви су заједно постали један функционалан материјал.
Ovo nije drevna legenda. To je kreativna priča nadahnuta stvarnim rastom zrna polikristalnog silicijuma.
Jedinstvo mnogih pravaca, sposobnost da se očuva zasebna struktura i da se istovremeno stvori veći sistem koji funkcioniše samo zahvaljujući svim svojim delovima
U savremenom simboličkom jeziku polikristalni silicijum može se povezivati sa saradnjom, stvaranjem složenih sistema, integracijom različitih sposobnosti i razumevanjem da jedinstvo ne mora da znači istovetnost. Ovo je kreativna interpretacija, a ne naučno potvrđeno dejstvo na čoveka.
Zasebno zrno
Svaki deo čovekovog života može imati sopstveni pravac, a ipak pripadati većoj celini.
Granica zrna
Razlika između dvoje ljudi ili ideja može postati ne samo sukob već i stvarno mesto njihovog povezivanja.
Kristalizacija
Red može nastati istovremeno na mnogim mestima i kasnije se povezati u jedan sistem.
Poluprovodnik
Sposobnost da se kontroliše kada energija teče, a kada se zaustavlja, može simbolizovati svesne granice i usmereno delovanje.
Solarna ćelija
Energija dobijena spolja može se ne samo apsorbovati već i pretvoriti u koristan rad.
Mozaična celina
Složen sistem ne mora da skriva svoje različite delove – ponekad upravo oni stvaraju najzanimljiviju strukturu.
Ritual zajedničke strukture
Ova suva simbolička praksa namenjena je situaciji u kojoj imate nekoliko različitih zadataka, veština ili ljudi i želite da razumete kako da ih povežete u jedinstven sistem koji funkcioniše, a da pritom ne primorate sve da postanu isti.
Šta će biti potrebno
- jednog uzorka polikristalnog silicijuma;
- lista papira;
- olovke;
- jednog sistema ili projekta koji želite bolje da organizujete.
Zrna
Na papiru nacrtajte nekoliko odvojenih oblasti i u svaku upišite jedan deo projekta, osobu, veštinu ili odgovornost.
Pravci
Pored svakog dela označite šta najbolje radi i koji pravac ne bi trebalo da menja pod prinudom.
Granice
Između susednih oblasti zapišite koje informacije, resursi ili odluke treba da pređu iz jedne u drugu.
Mesta defekata
Označite jedan spoj na kojem se trenutno gubi najviše vremena, energije ili jasnoće.
Čvršća veza
Izaberite jednu malu promenu koja bi poboljšala upravo ovu granicu: jasnije pravilo, bolji prenos informacija ili jednostavniji proces.
Bajanje
Stavite polikristalni silicijum u centar šeme i tri puta izgovorite:
Pravce zadržavam, granice povezujem,
od mnogih delova stvaram celinu koja funkcioniše.
Završetak
Recite: „Jedinstvo ne zahteva istovetnost. Svaki deo može zadržati svoj pravac, a ja mogu ojačati mesta na kojima se susreću.“
Najčešća pitanja o polikristalnom silicijumu
Šta je polikristalni silicijum?
Koja je njegova hemijska formula?
Po čemu se polikristalni silicijum razlikuje od monokristalnog?
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 mozaično?
Šta je polisilicijum?
Da li se polikristalni silicijum koristi u solarnim ćelijama?
Zašto su granice zrna važne za solarne ćelije?
Da li se polisilicijum koristi u mikroelektronici?
Šta polikristalni silicijum simbolizuje u savremenoj mašti?
Polikristalni silicijum pokazuje da se jedna funkcionalna struktura može stvoriti ne uklanjanjem razlika, već preciznim uređenjem mesta na kojima se različiti pravci susreću
Njegova priča počinje istim atomom silicijuma, koji se u prirodi najčešće krije u kvarcu i silikatnim mineralima.
Prečišćeni i istopljeni silicijum tokom hlađenja počinje da kristalizuje na mnogim mestima istovremeno.
Svaki kristal raste u svom pravcu, a kada se susretnu, formiraju granice zrna i zajedno postaju jedno čvrsto polikristalno telo.
U svetu tehnologije ovaj materijal povezuje hemiju, fiziku kristala, sunčevu energiju i mikroelektroniku. U simboličkom smislu može podsetiti da složena celina ne mora imati samo jedan pravac – ponekad njena snaga nastaje zato što mnoštvo različitih kristala nauči da postoji u jednom telu.