Silicis
Linas JuozėnasДелити
Silicijum: tetraedarski element koji povezuje kamen, staklo, svetlost i logiku
Silicijum povezuje dve razmere o kojima se retko govori kada se pripoveda o istom materijalu. U Zemljinoj kori gradi kosture, lance, slojeve i zasebne tetraedre sa kiseonikom u središtu, od kojih nastaju kvarc, feldspat, glina, liskun, piroksen, amfibol i brojni drugi minerali. Kada se prečisti do elementarnog oblika, isti atom postaje precizno kontrolisani poluprovodnik čija se provodljivost može menjati veoma malim količinama bora, fosfora i drugih sličnih dopanata. Njegovu vrednost ne određuju obilje metala ni boja dragog kamena, već struktura: četiri kovalentne veze, stabilni oksid, podesiva širina zabranjene zone i proizvodni sistem koji omogućava formiranje milijardi uređaja na poliranoj kristalnoj površini.
Kratke činjenice
Elementarni silicijum je poluprovodnik s kovalentnim vezama, a ne uobičajeni metal. Njegova polirana površina može izgledati metalno, ali električna svojstva, krt prelom, optička apsorpcija i kristalna struktura, u kojoj svaki atom ima četiri suseda, svrstavaju ga u drugu kategoriju materijala. Gotovo sav silicijum koji se nalazi u prirodi hemijski je vezan za kiseonik i druge elemente; uzorci elementarnog silicijuma pogodni za kolekcije obično su prečišćeni ili uzgojeni u laboratoriji.
| Termin | Značenje | Važna razlika |
|---|---|---|
| Silicijum | Hemijski element Si, prisutan u obliku elementarne supstance, legure, kristalnog, polikristalnog ili amorfnog materijala. | Elementarni silicijum nije ni kvarc ni fleksibilni silikonski polimer. |
| Silicijum-dioksid | Silicijum-dioksid, SiO₂, javlja se u oblicima kvarca, tridimita, kristobalita, koezita, stišovita, opala, stakla i srodnim oblicima. | Silicijum-dioksid sadrži kiseonik, a njegova svojstva se veoma razlikuju od svojstava elementarnog silicijuma. |
| Silikat | Velika grupa minerala i materijala čiju strukturu čine silicijumovi i kiseonikovi tetraedri povezani sa metalima i drugim katjonima. | Feldspat, liskun, glina, piroksen, amfibol, olivin i granat su silikati, a ne elementarni silicijum. |
| Silikon | Grupa sintetičkih polisiloksanskih materijala čiji polimerni glavni lanac čine naizmenično raspoređeni atomi silicijuma i kiseonika. | Silikoni mogu biti gumasti, tečni, smolasti ili lepljivi; oni nisu elementarni silicijum. |
| Silicijum-karbid | SiC je tvrda kovalentna keramika koja se u prirodi nalazi kao redak moisanit i proizvodi se u različitim oblicima za tehničku primenu. | Tvrđi je, gušći i razlikuje se od elementarnog silicijuma po optičkim svojstvima. |
| Polisilicijum | Polikristalni silicijum visoke čistoće, taložen u obliku šipki, komada ili granula za proizvodnju poluprovodnika i fotonaponskih proizvoda. | Naziv označava mnoštvo kristalnih zrna, a ne polimer koji sadrži silicijum. |
| Monokristalni silicijum | Jedinstveni kristal sa ujednačenom kristalografskom orijentacijom u celoj zapremini koja se koristi. | Većina pločica za integrisana kola proizvodi se od pažljivo uzgojenih monokristalnih ingota. |
| Аморфни силицијум | Nekristalni silicijum koji se taloži kao tanak film najčešće se hidrogenizuje da bi se smanjio broj elektronskih defekata. | Nema dalekosežni red kubne strukture tipa dijamanta kakav postoji u kristalnoj pločici. |
Identitet, naziv i granica između elementa i minerala
Silicijum je element, a ne opšti naziv za sve materijale koji sadrže silicijum. Ova razlika je važna zato što je elementarni silicijum tamni, neprovidni, krti poluprovodnik sa kubnom kristalnom strukturom tipa dijamanta, dok je kvarc prozirni ili poluprozirni silicijum-dioksid, a silikon sintetički polimer.
Poreklo naziva seže do reči povezanih sa kremenom i tvrdim kamenom. Rani hemičari su shvatili da se u silicijum-dioksidu verovatno nalazi nepoznati element, mnogo pre nego što su uspeli da ga izdvoje. Savremeni engleski oblik silicon usvojen je pre nego što su postojali dovoljno čisti uzorci za detaljna fizička ispitivanja.
O prirodnom elementarnom silicijumu izveštavalo se pri ispitivanju retkih meteorita i izrazito redukcionih sredina na Zemlji, ali takvi nalazi su obično mikroskopski i moraju se potvrditi analitičkim ispitivanjima. Uzorak veličine dlana označen kao „silicijum“ gotovo uvek je industrijski materijal: metalurški silicijum, polisilicijum, kristal uzgojen iz rastopa, pločica ili obrađena komponenta.
Elementarni silicijum
Kovalentni kristal sastavljen isključivo od atoma silicijuma, ne računajući dopante, nečistoće, površinski oksid i slojeve nastale tokom obrade.
Silicijum-dioksid
Kristalni, staklasti, opalni ili visokopritisni oblici silicijum-dioksida. Njegov kiseonički skelet određuje sasvim drugačija optička i hemijska svojstva.
Silikatni minerali
Minerali u kojima se tetraedri silicijuma i kiseonika povezuju sa aluminijumom, magnezijumom, gvožđem, kalcijumom, natrijumom, kalijumom i drugim elementima.
Legure silicijuma
Ferosilicijum i legure aluminijuma i silicijuma sadrže znatnu količinu silicijuma, ali imaju svojstva višefaznih metalnih materijala, a ne čistih poluprovodnika.
Silikoni
Industrijski proizvedeni polimeri čiju fleksibilnost, zaptivna svojstva, termičku stabilnost i površinska svojstva određuje glavna Si–O okosnica sa organskim bočnim grupama.
Terminologija kolekcionara
U opisima treba navesti da li je uzorak metalurške čistoće, polisilicijum, monokristalni, polikristalni, materijal za pločice, prevučen, dopiran ili obrađen.
Atomska arhitektura: zašto četiri veze menjaju sve
Pri uobičajenom pritisku, kristalni silicijum ima kubnu strukturu dijamantskog tipa. Svaki atom se vezuje za četiri susedna atoma, raspoređena u pravcima temena tetraedra. Ova otvorena, usmerena mreža objašnjava krhkost i cepivost silicijuma, njegovu poluprovodničku zonalnu strukturu, relativno malu gustinu i neuobičajeno širenje pri očvršćavanju.
Tetraedarska koordinacija
Svaki atom silicijuma formira četiri jake kovalentne veze, čiji je idealni međusobni ugao oko 109,5°. Ova geometrija se ponavlja u kristalu u tri dimenzije.
Kubna rešetka dijamantskog tipa
Ova struktura se može opisati kao dve kubne podrešetke centrirane po plohama, međusobno prožete i pomerene jedna u odnosu na drugu.
Rastvorljivost i prelom
Монокристали могу да се цепају дуж равни {111}. На одломцима се виде и закривљене површине конхоидалног лома, нарочито тамо где лом не прати једну јасну раван.
Ширење при очвршћавању
У течном силицијуму атоми су гушће распоређени него у отвореној тетраедарској структури чврстог силицијума, па се материјал шири при очвршћавању – неуобичајено својство које имају и вода и неколико сродних материјала.
Структуре под високим притиском
Под дејством изузетно високог притиска, силицијум прелази у гушће фазе са металним својствима. То показује да електрична својства не зависе само од састава већ и од распореда атома.
Изотопски састав
У природном силицијуму преовлађује ²⁸Si, док су ²⁹Si и ³⁰Si заступљени у мањој мери. Изотопско пречишћавање је важно у прецизној метрологији и неким истраживањима квантних уређаја.
Монокристал
Једна непрекидна кристалографска оријентација омогућава предвидљив пренос електрона, контролу цепања и поновљивост производње уређаја.
Поликристални силицијум
Многа зрна различитих оријентација додирују се на границама, које могу да заробе наелектрисање, расејавају носиоце наелектрисања, концентришу нечистоће или олакшају ломљење.
Аморфни силицијум
Не постоји дугодометна уређеност. Када се користи у танкослојној електроници, многе прекинуте везе обично се пасивизују водоником.
Порозни и наноструктурни силицијум
Контролисаним нагризањем или растом стварају се поре, жице, честице и фотонске структуре чија се својства разликују од својстава масивног кристала.
Силицијум на Земљи: тетраедри, распадање, седименти и живот
Силицијум је други најзаступљенији елемент по маси у Земљиној кори, али је највећи део везан за кисеоник. Тетраедар SiO₄ једна је од најважнијих структурних јединица у минералогији; ови тетраедри се повезују на различите начине и граде стене од омотача до површине континената.
| Структурни распоред | Како се тетраедри повезују | Карактеристични материјали |
|---|---|---|
| Појединачни тетраедри | Свака јединица SiO₄ остаје засебна и повезује се са другима преко других катјона. | Оливин, гранат, циркон и многи минерали омотача или метаморфни минерали. |
| Парне групе и прстенови | Тетраедри деле неке атоме кисеоника и образују двоструке јединице или затворене прстенове. | Структуре групе епидота, берил, турмалин и сродни минерали. |
| Једноструки ланци | Сваки тетраедар дели два атома кисеоника дуж издуженог ланца. | Пироксени, као што су авгит, диопсид и енстатит. |
| Двоструки ланци | Два ланца тетраедара периодично се спајају у шире траке. | Амфиболи, као што су рогач и тремолит. |
| Слојеви | Сваки тетраедар дели три атома кисеоника и образује широке слојеве. | Микролинзе, минерали глине, талк, серпентин и хлорит. |
| Оквири | Sva četiri temena tetraedra učestvuju u trodimenzionalnoj mreži. | Feldspati, feldspatoidi, zeoliti, kvarc i kvarcno staklo. |
Magmatske stene
Sadržaj silicijuma i zasićenost silicijum-dioksidom pomažu u određivanju viskoznosti magme, mineralne asocijacije, tipa erupcije i toga da li će se kristalisati kvarc, feldspat, piroksen, olivin ili feldspatoidi.
Trošenje i zemljište
Trošenjem silikata oslobađa se rastvorena silicijumska kiselina i nastaju minerali gline, a tokom geoloških perioda troši se atmosferski ugljen-dioksid.
Pesak i sedimenti
Kvarc opstaje kroz mnoge cikluse trošenja i akumulira se u pesku, peščaru, obalskim nanosima, dinama i rečnim sistemima.
Biogeni silicijum-dioksid
Dijatomeje, radiolarije, mnogi sunđeri i biljni fitoliti grade strukture od hidriranog ili amorfnog silicijum-dioksida, preuzetog iz vode ili zemljišta.
Ponašanje silicijuma u Zemljinoj unutrašnjosti
U omotaču Zemlje silicijum je sastavni deo silikata visokog pritiska. Pri još višem pritisku menja se koordinacija i stabilne postaju guste strukture.
Dijageneza silicijum-dioksida
Biogeni opal i vulkansko staklo zatrpani ispod sedimenata mogu se preobraziti u opal-CT, kalcedon ili kvarc, čime se menjaju poroznost i čvrstoća stene.
Fizička, termička, hemijska i optička svojstva
Referentne vrednosti zavise od temperature, orijentacije kristala, koncentracije primesa, gustine nosilaca naelektrisanja, strukture zrna i površinske obrade. Zato su svojstva monokristala poluprovodničkog kvaliteta ponovljivija nego kod komada metalurškog silicijuma koji sadrži gvožđe, aluminijum, kalcijum, ugljenik i druge primese.
| Svojstvo | Tipična vrednost ili ponašanje | Praktični značaj |
|---|---|---|
| Atomski broj | 14. | Određuje položaj silicijuma u 3. periodi između aluminijuma i fosfora i u grupi ugljenika. |
| Standardna atomska masa | 28,085. | Odražava prirodnu smešu tri stabilna izotopa. |
| Kristalni sistem | Kubična, struktura dijamanta; prostorna grupa Fd3̅m. | Uslovljava kalavost, anizotropna mehanička svojstva, elektronske energetske zone i orijentaciju pločice. |
| Gustina | Oko 2,329 g/cm³ pri temperaturi bliskoj sobnoj. | Lakši od galenita, hematita, silicijum-karbida i većine sličnih materijala metalnog izgleda. |
| Tvrdoća | Oko 6,5–7 na Mosovoj skali. | Otporan na grebanje običnim čelikom, ali ga mogu izgrebati kvarc, korund, dijamant i tvrda abrazivna prašina. |
| Kalavost i prelom | Izrazita kalavost duž ravni {111}; u drugim pravcima prelom je školjkast ili neravan. | Tanke ploče i oštri odlomci mogu iznenada da se prelome pri savijanju ili pritisku na ivicu. |
| Tačka topljenja | Oko 1414 °C. | Omogućava rast kristala iz rastopa, ali za to su potrebni kontrolisani sistemi za proizvodnju kristala otporni na visoke temperature. |
| Tačka ključanja | Oko 3265 °C. | Važna je pri obradi na visokim temperaturama i kontroli kontaminacije u gasnoj fazi. |
| Toplotna provodljivost | Oko 148 W/m·K za monokristal visoke čistoće pri temperaturi bliskoj sobnoj. | Velika u poređenju s drugim poluprovodnicima i keramičkim čvrstim materijalima, ali manja nego kod bakra ili srebra. |
| Toplotno širenje | Mala; njegovu usmerenu prirodu ograničava kubna kristalna rešetka. | Koristan u preciznim uređajima, mada pločice ipak mogu da puknu zbog temperaturnih gradijenata. |
| Širina zabranjene zone | Indirektna zabranjena zona širine približno 1,12 eV na sobnoj temperaturi. | Pogodan je za elektroniku i pretvaranje sunčeve energije u električnu, ali ne emituje svetlost tako efikasno kao poluprovodnici s direktnom zabranjenom zonom. |
| Optika vidljive svetlosti | Snažno apsorbuje svetlost i u uobičajenom masivnom obliku izgleda neprovidno. | Polirane pločice ispod površinskih premaza izgledaju tamnosivo, smeđesivo ili gotovo crno. |
| Infracrvena optika | Visok indeks prelamanja i propustljivost pogodna za praktičnu upotrebu u nekim oblastima bliskog i srednjeg infracrvenog zračenja. | Omogućava proizvodnju infracrvenih sočiva, prozorčića, senzora i uređaja za integrisanu fotoniku. |
| Prirodni površinski oksid | U vazduhu se prirodno stvara tanak sloj silicijum-oksida; deblji oksidni sloj visokog kvaliteta u industriji se uzgaja ili taloži. | Pasivizira površinu i stvara tehnološki vredan spoj. |
| Hemijska svojstva | Zahvaljujući površinskom oksidu, stabilan je u vodi i otporan na mnoge kiseline na sobnoj temperaturi; na njega deluju specijalizovana sredstva za jetkanje i jake baze. | Čišćenje sredstvima za domaćinstvo obično nije potrebno; tako se mogu oštetiti premazi ili slojevi metalizacije. |
Fizika poluprovodnika: nosioci naelektrisanja, dopanti, spojevi i međufazne granice
U čistom kristalnom silicijumu na sobnoj temperaturi, u poređenju s metalom, ima veoma malo pokretnih nosilaca naelektrisanja. Njegova praktična primena dolazi do izražaja kada temperatura, svetlost, električna polja i pažljivo odabrane primese menjaju broj i kretanje elektrona i šupljina.
Sopstveni silicijum
Toplotna energija povremeno prebacuje elektron preko zabranjene zone, ostavljajući pokretno prazno stanje koje se naziva šupljina. Elektrona i šupljina ima podjednako.
Silicijum n-tipa
Donorni atomi, poput fosfora, arsena ili antimona, daju elektrone koji se kroz kristal kreću lakše od sopstvenih nosilaca naelektrisanja.
Silicijum p-tipa
Atomi akceptora, najčešće bora, stvaraju pokretne šupljine koje u strukturi valentne zone deluju kao nosioci pozitivnog naelektrisanja.
p–n spoj
Na mestu dodira oblasti p-tipa i n-tipa, preraspodela naelektrisanja stvara unutrašnje električno polje. Rad dioda, fotodioda, tranzistora i solarnih ćelija zavisi od svojstava ovog spoja.
MOS spoj
Sloj oksida ili sličnog dielektrika formiran u kontrolisanim uslovima odvaja gejt elektrodu od silicijuma. Električna polja na spoju zatim stvaraju ili uklanjaju provodni kanal.
Defekti i zamke
Vakancije, dislokacije, primesne čestice, granice zrna, nesparene veze i kontaminirane površine mogu da zarobe naelektrisanje ili skrate životni vek nosilaca naelektrisanja.
| Stanje materijala | Dominantni nosioci naelektrisanja | Način dobijanja | Uobičajena namena |
|---|---|---|---|
| Sopstveni silicijum | Jednak broj elektrona i šupljina nastalih usled toplote. | Izuzetno čist kristal bez namerno unetih električno aktivnih dopirajućih primesa. | Referentna tačka za procenu svojstava, materijal za detektore i početna osnova za projektovanje uređaja. |
| Silicijum n-tipa | Elektroni. | Namerno dopiranje donorskim primesama, često fosforom, arsenom ili antimonom. | Oblasti tranzistora, kontakti, diode, senzori i strukture solarnih ćelija. |
| Silicijum p-tipa | Šupljine. | Namerno dopiranje akceptorskim primesama, najčešće borom. | Podloge, oblasti tranzistora, spojevi, senzori i fotonaponski uređaji. |
| Kompenzovani silicijum | Određuje ga ravnoteža donorskih i akceptorskih atoma. | Prisustvuju obe vrste dopirajućih primesa, namerno unetih ili dospelih usled kontaminacije. | Precizna kontrola specifične otpornosti ili kompenzacija uticaja neželjenih primesa. |
| Degenerisano dopirani silicijum | Veoma velika koncentracija elektrona ili šupljina. | Intenzivno dopiranje tokom implantacije, difuzije ili rasta kristala. | Kontakti male otpornosti i oblasti sa delimičnim osobinama provodnika. |
Od kvarca do kristala za elektroniku
Proizvodnja silicijuma je niz faza u kojima se hemijski sastav i struktura sve preciznije kontrolišu. Kvarc se redukuje do metalurškog silicijuma, koji se prečišćava pomoću isparljivih jedinjenja, taloži kao polisilicijum, kristalizuje u ingot, seče na pločice, a zatim se u njemu formiraju strukture kroz stotine strogo kontrolisanih tehnoloških faza.
- Karboterma redukcijaVisokočisti kvarc ili kvarcit reaguje sa ugljenikom u peći sa potopljenim električnim lukom. Pojednostavljena ukupna reakcija: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Silicijum metalurške čistoćeProizvod dobijen u peći obično sadrži oko 98–99 % silicijuma, dok je količina nečistoća i dalje mnogo veća od dozvoljene za naprednu elektroniku.
- Hemijska transformacijaHemijskim reakcijama silicijum se pretvara u isparljive hlorosilane ili silan, što omogućava njegovu višestruku destilaciju i hemijsko prečišćavanje.
- Deponovanje polisilicijumaPrečišćeni gasovi razlažu se na zagrejanim površinama ili u sistemima sa fluidizovanim slojem i formiraju izuzetno čiste šipke ili granule.
- Rast kristalaVučenjem kristala Čohralskim postupkom ili prečišćavanjem zonskim topljenjem bez lonca dobijaju se monokristali kontrolisanih svojstava; livenjem ili usmerenim očvršćavanjem dobija se multikristalni materijal.
- Proizvodnja pločicaPre početka proizvodnje uređaja, ingoti se orijentišu i seku na pločice, njihove ivice se zaobljavaju, a površine zaglađuju, nagrizaju i poliraju.
Kvarc se redukuje na visokoj temperaturi
U hemijskim reakcijama u električnoj peći, materijali koji sadrže ugljenik uklanjaju kiseonik i nastaje rastopljeni silicijum sa kontrolisanom, ali još uvek velikom količinom nečistoća.
Silicijum se pretvara u gasove pogodne za prečišćavanje
Isparljiva jedinjenja omogućavaju da se hemijskom obradom izdvoje bor, fosfor, metali, hemijske čestice koje sadrže ugljenik i drugi zagađivači.
Deponuje se izuzetno čisti polisilicijum
Čistoća koja se izražava velikim brojem devetki postiže se tako što se u svakoj fazi obrade uklanjaju ili izdvajaju nečistoće koje bi inače promenile vreme života nosilaca naelektrisanja i specifičnu otpornost.
Određuje se orijentacija kristala
Seme kristala usmerava rast tako da se u ingotu koji raste očuvaju izabrana orijentacija i kontrolisana koncentracija dopanata.
Ingot se pretvara u pločice
Sečenjem žičanom testerom dobijaju se tanki diskovi. Obradom ivica, hemijskim nagrizanjem i hemijsko-mehaničkim poliranjem stvara se ravna površina sa malo defekata.
Uređaji se formiraju u slojevima
Oksidacijom, deponovanjem, litografijom, nagrizanjem, implantacijom, difuzijom, čišćenjem, žarenjem i metalizacijom stvaraju se elektronske strukture širom pločice.
Industrijski oblici, tipovi kristala i kolekcionarski primerci
Uzorci elementarnog silicijuma obično su proizvodi proizvodnje, a ne nalazi sa geoloških ekspedicija. Zato su najkorisniji podaci o njihovom poreklu industrijski: proizvodni proces, klasa čistoće, metoda uzgoja, kristalna orijentacija, premaz, proizvođač, datum i prvobitna namena.
Metalurški silicijum
Tamni komadi čeličnosive boje sa sjajnim prelomnim površinama, neravnomerno raspoređenim primesama, staklastim prelomom i ponekad plavičastom ili bronzanom površinskom prevlakom.
Polisilicijumska šipka
Taloženi silicijum visoke čistoće, čija je površina oko centralnog vlakna mat, kvrgava, zrnasta ili podseća na karfiol.
Granule polikristalnog silicijuma
Sitne rastresite čestice napravljene tako da se njima lako rukuje i da se lako tope pri uzgoju kristala ili proizvodnji fotonaponskih uređaja.
Monokristalni ingot
Cilindrični ili kristal drugačijeg oblika čija se orijentacija, prečnik, sadržaj kiseonika, primesa za dopiranje i specifična električna otpornost pažljivo kontrolišu.
Ogledalski polirana pločica
Tanak, izuzetno ravan disk sa urezom ili ravnim delom ivice za određivanje orijentacije. Boju mogu da daju oksidni, nitridni, fotootpornI ili višeslojni filmovi.
Polikristalna pločica
Presek koji sadrži mnogo kristalnih zrna, često istaknutih nagriženim granicama, usmerenom teksturom ili različitim odsjajem.
Dendritski silicijum
Razgranati kristalni oblici uzgojeni iz rastopa kontrolisanim hlađenjem, a ne nastali uobičajenim rastom minerala u prirodi.
Film amorfnog silicijuma
Tanak taloženi sloj koji se koristi u elektronici, detektorima, ekranima i fotonaponskim strukturama, a ne zaseban kolekcionarski kristal.
Silicijum uzgojen Czochralskijevom metodom
Uzgaja se iz rastopa silicijum-dioksida u loncu. Sadržaj kiseonika može da se kontroliše i utiče na mehaničku čvrstoću i ponašanje defekata.
Silicijum dobijen metodom zonskog topljenja bez lonca
Uska rastopljena zona pomera se duž šipke bez upotrebe lonca, čime se dobija silicijum sa izuzetno malim sadržajem kiseonika i velikom specifičnom električnom otpornošću.
Polikristalni silicijum za solarne ćelije
Tradicionalno se lio u blokove koji sadrže mnogo kristalnih zrna. Zbog granica zrna i primesa neophodni su pasivacija i pažljivo projektovanje solarnih ćelija.
Tehnološki obrađen čip
Odsečeni komadić pločice sa tranzistorima, senzorima, spojnim vodovima, optičkim strukturama ili probnim šarama. Vidljivu boju uglavnom daju površinski filmovi.
Istorijska pločica
Pločica dokumentovanog porekla, povezana sa prepoznatljivim istraživačkim programom, proizvodnom linijom, generacijom uređaja ili institucijom, može imati tehnološki značaj koji prevazilazi njenu materijalnu vrednost.
Redak grumen silicijuma
Prirodna zrna elementarnog silicijuma obično su mikroskopska, otkrivaju se analitičkim metodama i nalaze se u meteoritu ili neobičnoj matrici zemaljskog porekla, a ne prodaju se kao veliki zasebni kristali.
Površinska hemija, boje tankih filmova i infracrvena svetlost
Neprekriveni silicijum prirodno nije jarko plav, ljubičast ni zlatan. Ove boje obično nastaju kada se svetlost odbija i od gornje i od donje granice tankog prozirnog filma. Čak i male promene debljine oksida ili nitrida znatno menjaju interferencionu boju.
Prirodni oksid
Izlaganjem vazduhu nastaje veoma tanak oksidni sloj koji hemijski pasivizira površinu, ali može biti pretanak da bi stvorio jasno vidljivu boju.
Termički oksid
Kontrolisanom oksidacijom stvara se gust sloj SiO₂ čija se debljina može meriti optičkim metodama i podešavati za izolaciju, maskiranje i kontrolu svojstava površine.
Silicijum-nitrid
Premazi od Si₃N₄ koriste se za pasivizaciju, kontrolu mehaničkog naprezanja, maskiranje i smanjenje refleksije. Njihove interferencione boje mogu biti slične bojama oksida ili još izraženije.
Fotorezist i procesni filmovi
Organski fotorezisti, metali, dielektrici i višeslojne strukture dodaju boje koje ne odražavaju boju samog elementarnog silicijuma u masi.
Prozirnost za infracrveno zračenje
Ispod apsorpcionog praga, dovoljno čist silicijum propušta deo infracrvenog spektra i ima visok indeks prelamanja.
Apsorpcija slobodnih nosilaca naelektrisanja
Visok nivo dopiranja stvara pokretne nosioce naelektrisanja, koji apsorbuju infracrveno zračenje i sužavaju koristan optički prozor.
| Uočeni znak | Verovatan uzrok | Na šta treba obratiti pažnju pri proceni |
|---|---|---|
| Ravnomerno čeličnosiva površina preloma | Sveža površina elementarnog silicijuma sa tankim dekorativnim površinskim filmom. | Metalurške nečistoće mogu potamniti površinu ili joj dati flekav izgled. |
| Plava, ljubičasta, ružičasta ili ćilibarna pločica | Interferencija tankog filma izazvana oksidom, nitridom, fotorezistom ili višeslojnom obradom. | Sama boja ne otkriva tip dopanta, čistoću niti namenu uređaja. |
| Ogledalski crna polirana površina | Apsorpcija vidljive svetlosti u kombinaciji sa izuzetno ravnom reflektujućom površinom. | Tamni izgled ne znači da je materijal amorfan ili nečist. |
| Mat povrch polikristalnog silicijuma | Brojni sitni kristalni zidovi, granice zrna, taložene izbočine ili hemijsko nagrizanje. | Tekstura može nastati tokom proizvodnje, a ne usled prirodne kristalizacije. |
| Radijalni ili spiralni tragovi na pločici | Poliranje, čišćenje, neravnomerno taloženje, pruge nastale tokom rasta kristala ili ostaci tehnološkog procesa. | Za razlikovanje tragova proizvodnje od oštećenja može biti potreban stručni mikroskopski pregled. |
| Pravilno zarezani ili ravni deo ivice | Element za orijentaciju i rukovanje formiran tokom proizvodnje. | Ovo nije oštećenje usled prirodnog raspadanja. |
Područja primene: od hemije jedinjenja koja grade stene do programabilnih površina
Značaj silicijuma daleko prevazilazi računarske procesore. Njegova jedinjenja preovlađuju u geološkim materijalima, a prečišćeni elementarni silicijum koristi se za pretvaranje energije, u senzorima, mehanici, optici, hemiji i preciznim merenjima.
Staklo i keramika
Od silicijum-dioksida i silikata izrađuju se prozorsko staklo, vlakna, optičko staklo, porcelan, vatrostalni materijali, glazure, laboratorijsko posuđe i tehnička keramika.
Cement i beton
Kalcijum-silikati odgovorni su za najveći deo hidratacije portland-cementa i porasta čvrstoće betona.
Integrisana kola
Na silicijumskim pločicama izrađuju se sistemi za logiku, memoriju, analognu elektroniku, upravljanje napajanjem, komunikacije i mešovite signale.
Fotonapon
Kristalni silicijum apsorbuje sunčevu svetlost i na spojevima razdvaja svetlošću stvorene nosioce naelektrisanja, te je i dalje osnova većine uobičajenih solarnih modula.
MEMS i senzori
Od mikromašinski obrađenog silicijuma izrađuju se akcelerometri, senzori pritiska, mikrofoni, žiroskopi, sistemi za upravljanje tečnostima i rezonantne strukture.
Infracrvena optika i fotonika
Visok indeks prelamanja i propustljivost infracrvenog zračenja omogućavaju izradu talasovoda, modulatora, detektora, sočiva i integrisanih optičkih kola.
Metalurške legure
Silicijum poboljšava livna svojstva, dezoksiduje čelik, menja svojstva aluminijumskih legura i sastavni je deo silicida otpornih na toplotu.
Silikonski materijali
Krajnji proizvodi industrijske hemije silicijuma obuhvataju zaptivne mase, elastomere, maziva, materijale za kapsuliranje, materijale pogodne za medicinsku upotrebu i polimere otporne na toplotu.
Precizna metrologija
Izuzetno čisti kristali i kugle silicijuma kontrolisanog izotopskog sastava koriste se za merenje dimenzija i istraživanje fundamentalnih konstanti.
Kvantni uređaji
Izotopski prečišćen silicijum može smanjiti magnetni šum oko kvantnih stanja zasnovanih na spinu i pružiti dobro razvijenu proizvodnu platformu.
Prepoznavanje i materijali s kojima se najčešće meša
Masivni elementarni silicijum najpouzdanije se prepoznaje po kombinaciji osobina: mala gustina za materijal metalnog izgleda, krti školjkasti prelom, tamnosiva boja, tvrda površina, odsustvo metalne kovnosti i industrijsko poreklo. Proizvedene pločice lakše je prepoznati po geometriji, zarezu, poliranju i tehnološkim slojevima nego terenskim testovima.
Redosled nerazornog ispitivanja
Pre nego što ispitate jednu sjajnu površinu, pregledajte ceo predmet. Ambalaža industrijskog materijala, etikete, tragovi obrade, zarezi za orijentaciju i prateća oprema mogu pružiti više informacija nego sam prelom.
- Odredite tip predmetaRazlikujte silicijum dobijen topljenjem, polisilicijum, monokristal, pločicu, čip, obloženu podlogu, leguru ili imitaciju.
- Kvalitativno procenite gustinuSilicijum deluje neočekivano lagano u poređenju s galenitom, hematitom, čelikom ili silicijum-karbidom slične veličine.
- Pregledajte geometriju prelomaPotražite udubljenja nalik školjci, oštre ivice, ravni koje odbijaju svetlost i raznovrsne granice zrna.
- Ispitajte sistem površinskih slojevaUtvrdite da li boju daju oksid, nitrid, metal, fotoresist, nečistoće ili dekorativni premaz.
- Potražite zrnastu strukturuU polikristalnom materijalu mogu se videti granice kristala, zrna, segregirane nečistoće i nepravilne putanje preloma.
- Proverite magnetna svojstvaČist silicijum nije feromagnetan; snažna reakcija može ukazivati na ferosilicijum, prilepljeni metal ili kontaminaciju.
- Izbegavajte testove grebanja pločicaTestovi tvrdoće oštećuju polirane površine i mogu izazvati pukotine koje počinju od ivice.
- Po potrebi primenite metode analizeRamanova spektroskopija, rendgenska difrakcija, merenje specifičnog električnog otpora, merenje propusnosti infracrvenog zračenja i metode analize sastava mogu potvrditi identitet materijala i njegovo tehnološko stanje.
| Materijal | Zašto može ličiti na silicijum | Korisne razlikovne osobine |
|---|---|---|
| Kvarc ili kvarcno staklo | Slična tvrdoća, školjkast prelom i hemijski sastav sa visokim udelom silicijuma. | Kvarc i kvarcno staklo su SiO₂, obično providni ili poluprovidni i nemetalični; elementarni silicijum je taman i ne propušta vidljivu svetlost. |
| Silicijum-karbid | Tamni kovalentni materijal čije površine imaju metalni ili prelivajući sjaj. | SiC je znatno tvrđi i gušći; često ima izraženiji veštački prelivajući sjaj ili pločaste kristale. |
| Galenit | Olovnosiv metalni izgled i krtost. | Galenit je znatno teži i mekši, a odlikuje ga savršena kubna cepivost. |
| Hematit | Čeličnosive površine sa metalnim ili polumetalnim sjajem. | Hematit je gušći i ostavlja crvenkastosmeđ trag. |
| Grafit | Tamnosiva boja, polumetalni sjaj i električna provodljivost. | Grafit je veoma mekan, mastan na dodir, ostavlja tamnu liniju i ljušti se u savitljive listiće. |
| Ferrosilicijum | Industrijski tamni blokovi metalnog sjaja, bogati silicijumom. | Veća gustina, moguće magnetne osobine, faze metalnih legura i hemijski sastav sa visokim sadržajem gvožđa. |
| Metalno staklo ili šljaka | Tamna, reflektujuća površina preloma i nepravilan oblik industrijskog proizvoda. | Mehurići, tekstura nastala tečenjem, promenljiva gustina, mešovit sastav i odsustvo osobina karakterističnih za kristalni silicijum. |
| Presvučena staklena pločica | Ravna kružna podloga sa šarenim tankim filmovima. | Propustljivost svetlosti na ivici, manja gustina, način lomljenja i optička ispitivanja pomažu da se staklo razlikuje od silicijuma. |
Izdvajanje, nauka o poluprovodnicima i uspon tehnoloških platformi na bazi silicijuma
Istorija silicijuma proteže se od analize minerala do hemijskog izdvajanja, od krte laboratorijske supstance do kristala izuzetne čistoće i od pojedinačnih ispravljača do integrisanih sistema. Odlučujući preokret nije bilo samo otkriće elementa već i sposobnost da se kontrolišu njegova čistoća, površina, kristalni defekti i međufazne granice.
Prepoznavanje silicijum-dioksida kao oksida nepoznatog elementa
Hemičari su shvatili da kvarc i srodne supstance sadrže komponentu otpornu na uobičajene metode redukcije, ali ju je i dalje bilo teško izdvojiti jer silicijum stvara jake veze sa kiseonikom.
Dobijanje nečistog silicijuma i nastanak njegovog engleskog naziva
Ranim pokušajima redukcije dobijena je supstanca koja sadrži silicijum, a engleski naziv „silicon“ zamenio je oblike neposrednije izvedene po uzoru na nazive metalnih elemenata.
Jens Jakob Berzelijus izdvaja amorfni silicijum
Berzelijus je dobio i opisao znatno čistiju elementarnu supstancu, postavljajući temelje za utvrđivanje hemijskog identiteta silicijuma.
Dobijanje kristalnog silicijuma
Anri Sent-Kler Devil dobio je kristalni silicijum, što je olakšalo proučavanje njegovog sjaja, krtosti i strukture.
Silicijum postaje materijal za elektronske detektore
Tačkasti kontaktni uređaji i kristalni detektori pokazali su ispravljačko dejstvo još pre nego što je uzgoj kristala visoke čistoće omogućio razvoj savremenog poluprovodničkog inženjerstva.
Silicijum visoke čistoće otvara put tranzistorima i praktično primenljivim solarnim ćelijama
Prečišćavanje, kontrola primesa za dopiranje, formiranje spojeva i uzgoj kristala učvrstili su položaj silicijuma kao sve praktičnije alternative germanijumu.
Površinska pasivacija, planarna tehnologija i MOS uređaji preoblikuju proizvodnju
Kontrolisana međufazna granica silicijuma i oksida omogućila je zaštitu površina, fotolitografsko oblikovanje kontura uređaja i izradu integrisanih kola velike gustine elemenata.
Primena silicijuma širi se na fotonapon, MEMS, fotoniku, metrologiju i kvantna istraživanja
Ista proizvodna platforma danas se koristi za konverziju energije, mehaničke senzore, optička kola, kristale kontrolisanog izotopskog sastava i uređaje nanometarskih dimenzija.
Silicijum je postao ključni materijal ne zato što je naročito provodljiv u prirodnom stanju. Tu ulogu je stekao zato što se njegova provodljivost, površina, geometrija i međufazne granice mogu kontrolisati izuzetno precizno.
Procena, poreklo i relativni značaj
Ne postoji univerzalni sistem za procenu kolekcionarskog silicijuma. Prioriteti procene razlikuju se za neobrađeni livarski ingot, polikristalnu šipku, monokristal za istraživačku upotrebu, proizvodnu pločicu, čip sa oblikovanim rasporedom kola, ranu solarnu ćeliju, istorijsko integrisano kolo i redak prirodni zrncе.
Identitet materijala
Potvrdite da li je objekat elementarni silicijum, legura, silicijum-karbid, obloženo staklo, tehnološki obrađen poluprovodnik ili drugi industrijski materijal.
Kristalni oblik
Zabeležite da li je uzorak monokristalan, polikristalan, dendritski, u obliku amorfnog filma, porozan, napukao, sečen, poliran ili istaložen.
Celovitost površine
Proverite okrnjene ivice, cepanje duž ravni kalanja, ogrebotine, zamućenost, otiske prstiju, boju oksida, raslojavanje, koroziju i oštećenja metalizacionog sloja.
Tehnološko poreklo
Proizvođač, metoda uzgoja, mesto proizvodnje, kristalografska orijentacija pločice, primesa za dopiranje, specifična električna otpornost, prečnik, datum i predviđena namena mogu biti značajniji od besprekorne spoljašnjosti.
Istorijski kontekst
Oznake istraživačkih uzoraka, generacija proizvodne tehnologije, institucija, tip uređaja, kućište i dokumentacija mogu pomoći u utvrđivanju tehnološkog značaja.
Prirodno poreklo
Za potkrepljivanje tvrdnji o samorodnom silicijumu potrebni su podaci o nalazištu, materijalu u kom se nalazi, analitički dokazi i sačuvana primarna matrica.
| Tip objekta | Ključne osobine | Šta proveriti |
|---|---|---|
| Komad metalurškog silicijuma | Lomljevna karakteristika, industrijsko poreklo, tekstura primjesa, veličina i stabilna površina. | Da li je neizmenjen ferosilicijumom, da li ima troske, premaza, oksidacije ili oštrih ivica i da li je poreklo dokumentovano. |
| Polikristalni silicijumski štap ili granula | Morfologija taloženja, dokumentacija o čistoći, metod proizvodnje i netaknuta struktura. | Zagađenje, tragovi rukovanja, prekinuta žica, premaz i obmanjujuće tvrdnje o prirodnom kristalu. |
| Monokristalna pločica | Prečnik, orijentacija, urez, debljina, poliranje, primesa za dopiranje, specifični otpor i metod uzgoja. | Okrnjene ivice, mikropukotine, iskrivljenost, ogrebotine, zagađenje, premaz i nepoznata istorija obrade. |
| Pločica sa oblikovanim uzorkom | Uzorak uređaja ili testa, proizvodni kontekst, datum, raspored čipova, dokumentacija i stanje očuvanosti površine. | Korodirani metal, raslojeni filmovi, ostaci fotorezista, odlomljena ivica i nepotpuni podaci o poreklu. |
| Istorijski čip ili integrisano kolo | Prepoznatljiva funkcija, proizvođač, datum, kućište, institucija i tehnološki kontekst. | Izmenjeno kućište, uklonjene oznake, falsifikovane oznake, prekinuti spojevi i nedostajuća dokumentacija. |
| Uzorak samorodnog silicijuma | Prirodna matrica, tačno nalazište, analitička potvrda, razmera i istorija objavljivanja. | Industrijsko zagađenje, materijal iz topionice, krhotine od udara, veštačko umetanje i nepotkrepljeno pripisivanje porekla. |
Nega, skladištenje, izlaganje i bezbednost u radionici
Masivni elementarni silicijum je hemijski stabilan u uobičajenim uslovima u zatvorenom prostoru, ali su mu ivice krte, a obrađene površine mogu sadržati osetljive okside, nitride, metale, polimere ili strukture uređaja. Nega treba da se prilagodi celom predmetu, a ne samo silikonskoj osnovi.
Masivni komadi
Nepravilno oblikovane komade držite u podstavljenim držačima, zaštitite ih od pada, a oštre ivice preloma držite dalje od susednih uzoraka i ruku.
Neobložene pločice
Držite ih za ivicu čistim rukavicama ili odgovarajućim alatima za rukovanje pločicama. Izbegavajte savijanje, pritiskanje ivica, slaganje bez razdelnika i dodir sa abrazivnim česticama.
Obložene pločice
Ne pretpostavljajte da je šarena površina otporna na vodu, alkohol, rastvarače, deterdžente ili brisanje. Vidljivi film može biti mekši i manje stabilan od silicijuma.
Obrađeni uređaji
Metalne staze, kontaktne površine, polimeri i kućišta kola mogu korodirati ili se raslojavati. Aktivnim elektronskim uređajima može biti potrebna i zaštita od elektrostatičkog pražnjenja.
Kontrola prašine
Nemojte suvo brusiti silicijum, strugati ga brusnim papirom, bušiti niti drobiti bez preduzimanja mera predostrožnosti. Primenite odgovarajuće metode obrade u mokrom stanju ili lokalno usisavanje i koristite odgovarajuću zaštitu za oči i disajne puteve.
Industrijski otpad nepoznatog porekla
Na obrađenom materijalu mogu biti metalni filmovi, primesе za legiranje, ostaci, lem, fotorezist ili kontaminacija koji se ne vide sa prednje strane.
| Opasnost | Mogući uticaj | Metoda prevencije |
|---|---|---|
| Udarac u ivicu | Krnjanje, radijalne pukotine, širenje preloma i oštri fragmenti. | Koristite podstavljene oslonce i držače koji ne dodiruju ivice, a uzorke držite odvojeno. |
| Savijanje pločice | Iznenadni potpuni lom usled blagog savijanja ili već postojećeg oštećenja ivice. | Podižite uz ravnomernu potporu i nikada ne uguravajte pločicu na silu u tesan držač. |
| Abrazivna prašina | Nepovratne ogrebotine, zamućenje, gubitak sjaja polirane površine i oštećenje tankih filmova. | Pre brisanja uklonite slobodne čestice čistom pumpicom za izduvavanje vazduha ili kontrolisanim beskontaktnim postupkom. |
| Kućni rastvarač ili sredstvo za čišćenje | Bubrenje rezista, gubitak premaza, korozija metala, ostaci i promenjena interferencijska boja. | Na obrađenim površinama nemojte nasumično primenjivati hemijske metode čišćenja. |
| Temperaturni gradijent | Pucanje usled naprezanja, odvajanje slojeva i oštećenje metalizacije. | Izbegavajte plamen, paru, grejne ploče, jake lampe i nagle promene temperature. |
| Elektrostatičko pražnjenje | Oštećenje aktivnih ili istorijski značajnih aktivnih kola. | Ako je uređaj i dalje električno aktivan ili nezaštićen, pri radu s njim koristite antistatičke mere. |
| Suvo sečenje ili brušenje | Oštre čestice koje se šire vazduhom i potencijalno zapaljivi fini prah. | Primenite mere za kontrolu prašine pogodne za profesionalni rad i izbegavajte obradu otpada s nepoznatim premazima. |
| Nestabilno pričvršćivanje | Klizanje pločice, pritisak na ivice, lomljenje i habanje usled trenja o tvrde stezaljke. | Koristite široke oslonce od inertnih materijala koji ne stvaraju tačkasto opterećenje. |
Dokumentovanje i odgovoran opis
Detaljan opis uzorka silicijuma zasebno navodi elementarni sastav, klasu čistoće, kristalnu strukturu, industrijski oblik, istoriju procesa proizvodnje, premaz, stanje uređaja, prirodno poreklo i stanje. Sam naziv „kristal silicijuma“ može da prikrije većinu informacija koje uzorku daju značenje.
Identitet materijala
Navedite da li je reč o elementarnom silicijumu, ferosilicijumu, silicijum-karbidu, obloženom silicijumu, staklenoj podlozi, polisilicijumu ili drugom odobrenom materijalu.
Kristalnost
Dokumentujte monokristalnu, polikristalnu, amorfnu, poroznu, dendritsku ili nepoznatu strukturu.
Metod uzgoja i prečišćavanja
Ako je poznato, navedite metalurško topljenje, taloženje Siemensovim postupkom, proizvodnju granula u fluidizovanom sloju, uzgoj Čohralskijevim ili metodom lebdeće zone, livenje ili taloženje filma.
Elektronske karakteristike
Sačuvajte podatke o kristalografskoj orijentaciji, dopantu, tipu provodljivosti, specifičnom otporu, prečniku, debljini, ravnosti, klasi sadržaja kiseonika i nameni u uređajima.
Struktura površinskih slojeva
Opišite da li je površina nepokrivena, oksidovana, nitridovana, metalizovana, prekrivena fotorezistom, pasivizovana, strukturisana, nagrižena ili je uzorak u kućištu.
Poreklo i stanje
Sačuvajte podatke o proizvođaču, ustanovi, projektu, datumu, pakovanju, prethodnoj upotrebi, okrnjenim ivicama, ogrebotinama, kontaminaciji, popravkama i fotografijama.
Savremena simbolika i značenje za promišljanje
Savremena simbolička tumačenja silicijuma mogu se neposredno oslanjati na njegova stvarna materijalna svojstva: četvorostruku strukturu veza, kontrolisane primesе, selektivnu provodljivost, međuslojne interfejse, precizno formiranje uzoraka i pretvaranje obilne mineralne sirovine u preciznu kristalnu platformu. Ove teme predstavljaju savremena promišljanja, a ne tvrdnje o drevnim tradicijama silicijuma.
Prvo struktura, zatim složenost
Ogroman elektronski sistem počinje ponavljajućim lokalnim vezama: svaki atom je predvidljivo povezan sa četiri suseda.
Mali dodaci, veliki uticaj
Veoma male koncentracije dopanata mogu promeniti provodljivost za nekoliko redova veličine, podsećajući da pažljivo odabrani dodaci imaju veći značaj od nekontrolisane obilnosti.
Interfejsi stvaraju funkciju
Granica između silicijuma i izolacionog sloja ne služi samo za razdvajanje: upravo tu postaju mogući kontrolisani kanali i uređaji.
Prečišćavanje kao selekcija
Čistoća potrebna za elektroniku postiže se ponovljenim razdvajanjem i merenjem, a ne jednim impresivnim postupkom uklanjanja.
Ograničenja definisana uzorkom
Korisno kolo ne provodi struju svuda. Ono usmerava kretanje kroz namenski oblikovane oblasti, barijere i spojeve.
Površina i unutrašnjost
Boju pločice može da odredi film debljine svega nekoliko nanometara, podsećajući da su spoljašnji izgled i struktura ispod njega povezani, ali nisu isto.
Pregled pločice i Meseca
- Izaberite jedan sistem koji deluje složeno zato što se smatra da svaki njegov deo podjednako dobro provodi struju.
- Utvrdi glavnu strukturu koja treba da ostane stabilna.
- Navedite jedan doprinos koji treba povećati, jednu primesu koju treba ukloniti i jednu granicu koju treba ojačati.
- Odredite gde kretanje treba da bude lako, a gde je otpor koristan.
- Odaberite jednu merljivu radnju koja bi promenila sistem, a da ga ne preuređuje u celosti.
- Nakon jednog punog ciklusa procenite rezultat i menjajte samo jednu promenljivu odjednom.
Dalje čitajte specijalizovane vodiče o silicijumu
Silicijum se može upoznati kroz kristalografiju elementarnog silicijuma, poluprovodničku optiku, geologiju, industrijsko prečišćavanje, polikristalnu strukturu, istoriju tehnologije, savremenu simboliku i praksu promišljanja.
Često postavljana pitanja
Da li je silicijum metal?
Silicijum se obično svrstava u metaloide. Njegova površina izgleda metalno, ali on je poluprovodnik sa kovalentnim vezama, čija provodljivost mnogo više zavisi od temperature i primesa za dopiranje nego kod uobičajenog metala.
Da li su silicijum i silicijum-dioksid isto?
Ne. Silicijum je hemijski element Si. Formula silicijum-dioksida je SiO₂; u njega spadaju kvarc, kristobalit, tridimit, opal, silicijum-dioksidno staklo i oblici koji nastaju pod visokim pritiskom.
Da li su silicijum i silikon isto?
Ne. Silikoni su porodica sintetičkih polimera čiji se osnovni lanac sastoji od naizmenično raspoređenih atoma silicijuma i kiseonika, sa organskim bočnim grupama vezanim za njega. Silikonska guma, ulje, smola i zaptivna masa nisu elementarni silicijum.
Zašto je samorodni silicijum tako redak?
Silicijum stvara čvrste veze sa kiseonikom i lako se ugrađuje u strukture silicijum-dioksida i silikata. Za nastanak prirodnog elementarnog silicijuma potrebni su neuobičajeno redukujući uslovi, a njegovi primerci su obično mikroskopski.
Zašto silikonska pločica izgleda plavo ili ljubičasto?
Boja obično nastaje interferencijom u tankom oksidnom, nitridnom ili fotorezistnom filmu, odnosno višeslojnom filmu. Sam nepokriveni polirani silicijum je tamnosiv do gotovo crn.
Zašto se silicijum koristi u računarskim čipovima?
Silicijum ima odgovarajuću širinu zabranjene zone, kvalitetan prirodno i termički formiran oksid, odličnu pasivizaciju površine, dovoljnu toplotnu provodljivost i mehaničku čvrstoću. Osim toga, njegove sirovine su obilne, tehnologije prečišćavanja zrele, a proizvodne metode veoma razvijene.
Koja je razlika između silicijuma p-tipa i n-tipa?
Silicijum p-tipa sadrži akceptorske primese, zbog kojih šupljine postaju većinski nosioci naelektrisanja. Silicijum n-tipa sadrži donorske primese, zbog kojih elektroni postaju većinski nosioci naelektrisanja.
Šta je šupljina?
Šupljina je efektivni pozitivni nosilac naelektrisanja povezan sa nedostatkom elektrona u stanju valentne zone. Ponaša se kao da se pozitivno naelektrisanje kreće kroz kristal.
Šta je polisilicijum?
Polisilicijum je polikristalni elementarni silicijum visoke čistoće. Obično se taloži u obliku šipki, komada ili granula, a zatim topi za proizvodnju pločica ili solarnih ćelija.
Koja je razlika između polikristalnog i monokristalnog silicijuma?
Monokristalni silicijum zadržava jednu kristalnu orijentaciju u celoj zapremini koja se koristi. Polikristalni silicijum sastoji se od mnogo zrna razdvojenih granicama koje utiču na lom, raspodelu primesa i transport nosilaca naelektrisanja.
Šta je amorfni silicijum?
Amorfni silicijum nema dugodometni kristalni red i obično se taloži u obliku tankog filma. Često mu se dodaje vodonik kako bi se pasivisale nezasićene veze i poboljšala elektronska svojstva.
Šta je silicijum uzgojen Czochralski metodom?
To je monokristalni silicijum koji se dobija sporim izvlačenjem i okretanjem kristalnog semena iz rastopljenog silicijuma u loncu od silicijum-dioksida. Ovim postupkom proizvodi se većina uobičajenih velikih poluprovodničkih pločica.
Šta je silicijum dobijen zonskim topljenjem bez lonca?
Silicijum dobijen zonskim topljenjem bez lonca pročišćava se i kristališe duž silicijumske šipke pomeranjem uske rastopljene zone, bez upotrebe lonca. Tako se može postići veoma nizak sadržaj kiseonika i visoka specifična otpornost.
Zašto silicijum ne propušta vidljivu svetlost, ali je pogodan za infracrvenu optiku?
Fotoni vidljive svetlosti obično imaju dovoljno energije da budu apsorbovani pri elektronskim prelazima u silicijumu. Infracrveni fotoni niže energije mogu da prođu kroz dovoljno čist materijal u određenom opsegu talasnih dužina, koji zavisi od oblasti primene.
Da li silicijum prirodno provodi električnu struju?
Na sobnoj temperaturi, čisti silicijum slabo provodi struju u poređenju s metalom. Toplota, svetlost, defekti i ciljano dopiranje mogu znatno da povećaju njegovu provodljivost.
Zašto se provodljivost silicijuma povećava pri zagrevanju?
Toplota pobuđuje više elektrona kako bi prešli zabranjenu zonu, čime nastaje više parova elektron-šupljina. Porast broja nosilaca naelektrisanja može da nadmaši smanjenje pokretljivosti izazvano vibracijama rešetke.
Može li elementarni silicijum da izgrebe staklo?
Oštra ivica silicijuma može da izgrebe mnoge uobičajene vrste stakla, jer mu je tvrdoća po Mosovoj skali oko 6,5–7. Nema potrebe proveravati tvrdoću izrađene pločice ili uzorka s dokumentovanim poreklom, a takva provera ih nepovratno oštećuje.
Zašto se silicijum tako lako lomi iako je tvrd?
Tvrdoća opisuje otpornost na ogrebotine, a ne na lomljenje. Silicijumska rešetka s usmerenim kovalentnim vezama je kruta, ali krta, a tanke pločice su osetljive na nedostatke na ivicama i savijanje.
Može li se silicijum čistiti vodom?
Neprevučeni masivni silicijum podnosi kratak kontakt s vodom, ali obrađene pločice mogu sadržati filmove, metale, polimere ili ostatke koji to ne podnose. Za neidentifikovan obrađeni uzorak, bezbedniji početni izbor je suvo čišćenje bez kontakta.
Mogu li da poliram polomljenu silikonsku pločicu?
Poliranjem se uklanja postojeća površina i može se uništiti boja koju daje oksid, slojevi uređaja, pokazatelji porekla i geometrija ivica. Takođe nastaje fina prašina, pa se tome ne treba olako pristupati.
Da li je karbonski silicijum vrsta silicijuma?
Karbonski silicijum sadrži silicijum, ali je zasebno jedinjenje formule SiC. Tvrđi je, gušći, otporniji na toplotu, a njegova elektronska svojstva razlikuju se od svojstava elementarnog silicijuma.
Šta označava zarez na pločici?
Zarez se pravi tokom proizvodnje kako bi se lakše odredila orijentacija pločice i rukovalo njome. Pomaže automatizovanoj opremi da pravilno orijentiše pločicu i označava referentni kristalografski pravac.
Može li se na osnovu boje oksida utvrditi tačna debljina filma?
Pri kontrolisanom osvetljenju, boja može približno ukazati na debljinu, ali za njeno precizno utvrđivanje potrebno je kalibrisano optičko merenje, jer boja zavisi i od ugla, podloge, indeksa prelamanja i dodatnih slojeva.
Šta treba navesti na etiketi uzorka?
Navedite hemijski element, čistoću ili klasu kvaliteta, monokristalni ili polikristalni oblik, metodu uzgajanja, orijentaciju pločice, primesu za dopiranje i specifičnu električnu otpornost, ako su poznati, prevlaku, proizvođača, datum, prethodnu upotrebu i stanje.
Završna razmatranja
Osnovu strukture silicijuma čini jednostavno lokalno pravilo: svaki atom formira četiri usmerene veze. Ponavljanjem ovog pravila kroz ceo kristal nastaje rešetka dovoljno čvrsta da služi kao osnova preciznih uređaja, ali i dovoljno krta da napukne na oštećenoj ivici. Iste veze određuju indirektni zabranjeni pojas, umerenu toplotnu provodljivost, visok indeks prelamanja u infracrvenom spektru i površinu na kojoj se može formirati oksidni sloj sa izuzetno precizno kontrolisanim svojstvima.
U geološkom okruženju silicijum se retko nalazi u slobodnom obliku. Vezuje se za kiseonik i gradi tetraedre, koji se povezuju u pojedinačne grupe, prstenove, lance, slojeve i prostorne mreže. Tako silicijum postaje sastavni deo minerala u omotaču Zemlje, vulkanskog stakla, granita, gline, tla, peska, ljuštura dijatomeja, betona, porcelana i prozorskog stakla.
Industrijska obrada usmerava ovu prirodnu sklonost oksidaciji u suprotnom smeru. Kvarc se redukuje, silicijum se prečišćava pomoću isparljivih jedinjenja, taloži u obliku polikristalnog silicijuma, uzgaja se kristal kontrolisanih svojstava, seče na pločice, a zatim se ciklusima dodavanja i uklanjanja materijala na njima oblikuju šare. Izuzetno male količine primesa za dopiranje menjaju električna svojstva; filmovi nanometarske debljine menjaju boju i međufazne površine; mikroskopski defekti određuju da li će uređaj raditi ili otkazati.
Zato sveobuhvatno poznavanje silicijuma objedinjuje mineralogiju, kristalografiju, termodinamiku, fiziku čvrstog stanja, optiku, metalurgiju, hemiju, proizvodnju, elektroniku, energetiku, konzervaciju i istoriju tehnologije. Njegova posebnost nije ni prirodna električna provodljivost ni impresivan izgled. Poseban je po tome što se element koji u velikoj meri gradi stene može prečišćavati i oblikovati mu struktura i šare sve dok sama materija ne postane programabilna.