Kisel
Linas JuozėnasDela
Kisel: ett tetraedriskt grundämne som förenar sten, glas, ljus och logik
Kisel förbinder två skalor som sällan diskuteras i berättelser om samma material. I jordskorpan bildar det stommar, kedjor, skikt och fristående tetraedrar med syre i centrum, som tillsammans bildar kvarts, fältspat, lera, glimmer, pyroxen, amfibol och många andra mineraler. Renat till elementär form blir samma atom en noggrant kontrollerad halvledare vars ledningsförmåga kan förändras med ytterst små mängder bor, fosfor och liknande dopämnen. Dess värde bestäms inte av att det är en vanlig metall eller har en ädelstens färg, utan av dess struktur: fyra kovalenta bindningar, en stabil oxid, ett justerbart bandgap och ett tillverkningssystem som gör det möjligt att skapa miljarder komponenter på ytan av en polerad kristall.
Snabba fakta
Elementärt kisel är en halvledare med kovalenta bindningar, inte en vanlig metall. Dess polerade yta kan se metallisk ut, men dess elektriska egenskaper, spröda brott, optiska absorption och kristallstruktur, där varje atom har fyra grannar, placerar det i en annan materialkategori. Nästan allt kisel som förekommer i naturen är kemiskt bundet till syre och andra grundämnen; elementära kiselprover i samlingsstorlek är vanligtvis renade eller framställda genom kristalltillväxt i laboratorium.
| Term | Betydelse | Viktig skillnad |
|---|---|---|
| Kisel | Det kemiska grundämnet Si, i form av ett grundämne, en legering eller ett kristallint, polykristallint eller amorft material. | Elementärt kisel är varken kvarts eller en flexibel silikonpolymer. |
| Kiseldioxid | Kiseldioxid, SiO₂, förekommer i former som kvarts, tridymit, kristobalit, coesit, stishovit, opal och glas samt liknande material. | Kiseldioxid innehåller syre och har egenskaper som skiljer sig markant från elementärt kisels. |
| Silikat | En stor grupp mineraler och material vars struktur bygger på tetraedrar av kisel och syre, bundna till metaller och andra katjoner. | Fältspat, glimmer, lera, pyroxen, amfibol, olivin och granat är silikater, inte elementärt kisel. |
| Silikon | En grupp syntetiska polysiloxanmaterial där kisel- och syreatomer växelvis ingår i polymerernas huvudkedja. | Silikoner kan vara gummiliknande, flytande, hartsartade eller klibbiga; de är inte elementärt kisel. |
| Kiselkarbid | SiC är en hård kovalent keramik som förekommer naturligt som den sällsynta moissaniten och tillverkas i olika former för tekniska ändamål. | Det är hårdare och tätare och har andra optiska egenskaper än elementärt kisel. |
| Polykisel | Högrent polykristallint kisel som deponeras i form av stavar, bitar eller granulat för tillverkning av halvledar- och solcellsprodukter. | Namnet syftar på många kristallkorn, inte på en kiselhaltig polymer. |
| Enkristallint kisel | En sammanhängande kristall med samma kristallografiska orientering i hela den använda volymen. | De flesta wafers för integrerade kretsar tillverkas av noggrant odlade enkristallina göt. |
| Amorft kisel | Icke-kristallint kisel som deponeras som en tunn film vätebehandlas oftast för att minska antalet elektroniska defekter. | Det har inte den långräckviddiga ordning med diamantkubisk struktur som finns i en kristallskiva. |
Identitet, namn och gränsen mellan grundämne och mineral
Kisel är ett grundämne, inte ett generellt namn för alla kiselhaltiga material. Den skillnaden är viktig eftersom elementärt kisel är en mörk, ogenomskinlig och spröd halvledare med diamantkubisk struktur, medan kvarts är kiseldioxid som är genomskinlig eller halvgenomskinlig och silikon är en syntetisk polymer.
Namnet har sitt ursprung i ord som förknippas med flinta och hård sten. Tidiga kemister insåg att kiseldioxid sannolikt innehöll ett okänt grundämne långt innan de lyckades isolera det. Den moderna engelska formen silicon antogs innan tillräckligt rena prover fanns tillgängliga för ingående fysikaliska undersökningar.
Förekomst av naturligt elementärt kisel har rapporterats i sällsynta meteoriter och starkt reducerande miljöer på jorden, men sådana fynd är vanligtvis mikroskopiska och måste bekräftas genom analytiska undersökningar. Ett handflatestort prov märkt ”kisel” är nästan alltid ett industriellt material: metallurgiskt kisel, polykisel, en kristall odlad ur smälta, en wafer eller en bearbetad komponent.
Elementärt kisel
En kovalent kristall som enbart består av kiselatomer, bortsett från dopämnen, föroreningar, ytoxid och skikt som bildats under bearbetning.
Kiseldioxid
Kristallina, glasartade, opalina eller högtrycksformer av kiseldioxid. Syreskelettet ger helt andra optiska och kemiska egenskaper.
Silikatmineral
Mineraler där kisel- och syretetraedrar binds till aluminium, magnesium, järn, kalcium, natrium, kalium och andra grundämnen.
Kisellegeringar
Ferrokisel och aluminium-kisel-legeringar innehåller betydande mängder kisel, men har egenskaper som kännetecknar flerfasiga metalliska material snarare än rena halvledare.
Silikoner
Industriellt tillverkade polymerer vars flexibilitet, tätningsförmåga, termiska stabilitet och ytegenskaper bestäms av en grundläggande Si–O-kedja med organiska sidogrupper.
Samlarterminologi
Beskrivningar bör ange om provet är av metallurgisk kvalitet, polykisel, monokristallint, polykristallint, plattmaterial, belagt, dopat eller behandlat.
Atomär arkitektur: varför fyra bindningar förändrar allt
Vid normalt tryck har kristallint kisel en diamantkubisk struktur. Varje atom binds till fyra närliggande atomer som ligger i riktning mot tetraederns hörn. Detta öppna, riktade nätverk förklarar kisels sprödhet, spaltbarhet, halvledarbandstruktur, relativt låga densitet och ovanliga expansion när det stelnar.
Tetraedrisk koordination
Varje kiselatom bildar fyra starka kovalenta bindningar med en idealisk inbördes vinkel på cirka 109,5°. Denna geometri upprepas i kristallens tre dimensioner.
Diamantkubisk struktur
Strukturen kan beskrivas som två kubiskt tätpackade delgitter som tränger in i varandra och är förskjutna i förhållande till varandra.
Spaltbarhet och brott
Enkristaller kan klyvas längs {111}-plan. Brottstycken uppvisar också böjda, mussliga brottytor, särskilt där brottet inte följer ett enda tydligt plan.
Expansion vid stelning
I flytande kisel ligger atomerna tätare än i fast kisels öppna tetraedriska struktur, vilket gör att materialet expanderar när det stelnar – en ovanlig egenskap som även finns hos vatten och några besläktade material.
Högtrycksstrukturer
Under extremt högt tryck omvandlas kisel till tätare faser med metalliska egenskaper. Det visar att de elektriska egenskaperna beror inte bara på sammansättningen utan också på atomernas placering.
Isotopsammansättning
Naturligt kisel domineras av ²⁸Si, medan ²⁹Si och ³⁰Si förekommer i mindre mängder. Isotoprening är viktig inom precisionsmetrologi och i viss forskning om kvantenheter.
Enkristall
En enda sammanhängande kristallografisk orientering gör det möjligt att förutsäga elektrontransport, kontrollera klyvning och säkerställa reproducerbarhet vid tillverkning av enheter.
Polykristallint kisel
Många olikt orienterade korn möts vid gränser, som kan fånga laddning, sprida laddningsbärare, samla föroreningar eller underlätta brott.
Amorft kisel
Ingen långväga ordning. Vid användning i tunnfilmselektronik passiveras många brutna bindningar vanligtvis med väte.
Poröst och nanostrukturerat kisel
Kontrollerad etsning eller tillväxt skapar porer, trådar, partiklar och fotoniska strukturer med egenskaper som skiljer sig från bulkkristallens.
Kisel på jorden: tetraedrar, vittring, sediment och liv
Kisel är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan räknat i massa, men det mesta är bundet till syre. SiO₄-tetraedern är en av mineralogins viktigaste strukturella enheter; dessa tetraedrar binds samman på olika sätt och bildar bergarter från manteln till kontinenternas yta.
| Strukturell uppbyggnad | Hur tetraedrar binds samman | Karakteristiska material |
|---|---|---|
| Enskilda tetraedrar | Varje SiO₄-enhet förblir separat och binds till andra genom andra katjoner. | Olivin, granat, zirkon och många mantel- eller metamorfa mineral. |
| Pargrupper och ringar | Tetraedrar delar vissa syreatomer och bildar dubbelenheter eller slutna ringar. | Strukturer i epidotgruppen, beryll, turmalin och besläktade mineral. |
| Enkelkedjor | Varje tetraeder delar två syreatomer längs en utdragen kedja. | Pyroxener, såsom augit, diopsid och enstatit. |
| Dubbelkedjor | Två tetraederkedjor förenas periodiskt till bredare band. | Amfiboler, såsom hornblände och tremolit. |
| Skikt | Kiekvienas tetraedras delar tre syreatomer och bildar breda skikt. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasiniai silikatai | Alla fyra hörnen i tetraedern ingår i ett tredimensionellt nätverk. | Fältspater, fältspatoider, zeoliter, kvarts och kvartsglas. |
Magmatiska bergarter
Kiselhalten och mättnaden med kiseldioxid bidrar till att avgöra magmans viskositet, mineralsammansättning, utbrottets karaktär och om kvarts, fältspat, pyroxen, olivin eller fältspatoider kristalliserar.
Vittring och jord
När silikater vittrar frigörs löst kiselsyra och lermineral bildas, samtidigt som atmosfärisk koldioxid förbrukas över geologiska tidsperioder.
Sand och sediment
Kvarts består genom många vittringscykler och ansamlas i sand, sandsten, strandavlagringar, sanddyner och flodsystem.
Biogen kiseldioxid
Kiselalger, radiolarier, många svampar och växters fytoliter bildar strukturer av hydratiserad eller amorf kiseldioxid som tagits upp från vatten eller jord.
Kisels beteende i jordens inre
I manteln ingår kisel i högtryckssilikater. Vid ännu högre tryck förändras koordinationen och täta strukturer blir stabila.
Kiseldioxidens diagenes
Biogen opal och vulkaniskt glas som begravts under sediment kan omvandlas till opal-CT, kalcedon eller kvarts, vilket förändrar porositeten och bergartens hållfasthet.
Fysikaliska, termiska, kemiska och optiska egenskaper
Referensvärden beror på temperatur, kristallorientering, föroreningskoncentration, laddningsbärartäthet, kornstruktur och ytbehandling. Därför är egenskaperna hos en enkristall av halvledarkvalitet mer reproducerbara än hos en bit metallurgiskt kisel som innehåller järn, aluminium, kalcium, kol och andra föroreningar.
| Egenskap | Typiskt värde eller beteende | Praktisk betydelse |
|---|---|---|
| Atomnummer | 14. | Bestämmer kislets plats i period 3 mellan aluminium och fosfor samt i kolgruppen. |
| Standardatommassa | 28,085. | Återspeglar den naturliga blandningen av tre stabila isotoper. |
| Kristallsystem | Kubisk diamantstruktur; rymdgrupp Fd3̅m. | Avgör klyvbarheten, anisotropa mekaniska egenskaper, elektroniska energiband och skivans orientering. |
| Densitet | Cirka 2,329 g/cm³ vid en temperatur nära rumstemperatur. | Lättare än galenit, hematit, kiselkarbid och de flesta liknande material med metalliskt utseende. |
| Hårdhet | Cirka 6,5–7 på Mohs skala. | Motstår repor från vanligt stål, men kan repas av kvarts, korund, diamant och hårda slipande dammpartiklar. |
| Spaltning och brott | Tydlig spaltning längs {111}-plan; i andra riktningar är brottet mussligt eller ojämnt. | Tunna skivor och vassa fragment kan plötsligt gå av när de böjs eller när deras kanter utsätts för tryck. |
| Smältpunkt | Cirka 1414 °C. | Gör det möjligt att odla kristaller från smälta, men det kräver kontrollerade kristalltillverkningssystem som tål höga temperaturer. |
| Kokpunkt | Cirka 3265 °C. | Viktigt vid högtemperaturbearbetning och kontroll av föroreningar i ångfas. |
| Värmeledningsförmåga | Cirka 148 W/m·K för en monokristall med hög renhet vid en temperatur nära rumstemperatur. | Högt jämfört med andra halvledare och keramiska fasta material, men lägre än för koppar eller silver. |
| Värmeutvidgning | Litet; dess riktade egenskaper begränsas av den kubiska kristallgittret. | Användbart i precisionsinstrument, även om skivor fortfarande kan spricka på grund av temperaturgradienter. |
| Bandgap | Indirekt bandgap med en bredd på cirka 1,12 eV vid rumstemperatur. | Lämpar sig för elektronik och omvandling av solenergi till elektricitet, men avger inte ljus lika effektivt som halvledare med direkt bandgap. |
| Synligt ljus-optik | Absorberar ljus kraftigt och ser ogenomskinligt ut i vanlig massiv form. | Polerade skivor ser mörkgrå, brungrå eller nästan svarta ut under ytbeläggningar. |
| Infraröd optik | Högt brytningsindex och en genomsläpplighet som lämpar sig för praktisk användning i vissa områden av nära och medelinfraröd strålning. | Gör det möjligt att tillverka infraröda linser, fönster, sensorer och integrerad fotonik. |
| Naturlig ytoxid | En tunn kiseloxidfilm bildas spontant i luft; ett tjockare oxidskikt av hög kvalitet växer eller deponeras industriellt. | Passiverar ytan och bildar en tekniskt värdefull övergång. |
| Kemiska egenskaper | Ytoxiden gör det stabilt i vatten och motståndskraftigt mot många syror vid rumstemperatur; specialiserade etsmedel och starka baser påverkar det. | Rengöring med hushållsprodukter behövs vanligtvis inte; det kan skada beläggningar eller metalliseringsskikt. |
Halvledarfysik: laddningsbärare, dopämnen, övergångar och gränsytor
Rent kristallint kisel har mycket få rörliga laddningsbärare vid rumstemperatur jämfört med en metall. Dess praktiska användbarhet kommer fram när temperatur, ljus, elektriska fält och noggrant utvalda föroreningar förändrar antalet elektroner och hål samt hur de rör sig.
Intrinsiskt kisel
Värmeenergi för ibland en elektron över bandgapet och lämnar efter sig ett rörligt obemannat tillstånd som kallas ett hål. Det finns lika många elektroner som hål.
Kisel av n-typ
Givaratomene fosfor, arsen och antimon avger elektroner som rör sig lättare genom kristallen än de egna laddningsbärarna.
Kisel av p-typ
Acceptoratomer, oftast bor, skapar rörliga hål som fungerar som positiva laddningsbärare i valensbandets struktur.
p–n-övergång
Där p-typ- och n-typområden möts uppstår ett inre elektriskt fält när laddningen omfördelas. Dioders, fotodioders, transistorers och solcellers funktion beror på den här övergångens egenskaper.
MOS-övergång
Ett lager av oxid eller liknande dielektrikum, format under kontrollerade förhållanden, skiljer styrelektroden från kislet. Elektriska fält vid övergången skapar eller släcker då en ledande kanal.
Defekter och fällor
Vakanser, dislokationer, föroreningar, korngränser, omättade bindningar och förorenade ytor kan fånga upp laddning eller förkorta laddningsbärarnas livslängd.
| Materialtillstånd | Dominerande laddningsbärare | Framställningsmetod | Typisk användning |
|---|---|---|---|
| Intrinsiskt kisel | Lika många termiskt skapade elektroner och hål. | En extremt ren kristall utan avsiktligt införda elektriskt aktiva dopämnen. | Referenspunkt för egenskapsbedömning, detektormaterial och utgångspunkt för konstruktion av komponenter. |
| Kisel av n-typ | Elektroner. | Avsiktlig dopning med donatorer, ofta fosfor, arsenik eller antimon. | Transistorområden, kontakter, dioder, sensorer och solcellsstrukturer. |
| Kisel av p-typ | Hål. | Avsiktlig dopning med acceptorer, oftast bor. | Substrat, transistorområden, övergångar, sensorer och fotovoltaiska enheter. |
| Kompenserat kisel | Bestäms av balansen mellan donator- och acceptoratomer. | Båda typerna av dopämnen finns, antingen avsiktligt införda eller tillförda genom kontaminering. | Noggrann styrning av resistiviteten eller kompensering av oönskade föroreningars påverkan. |
| Degenererat dopat kisel | Mycket hög koncentration av elektroner eller hål. | Kraftig dopning genom implantation, diffusion eller under kristalltillväxten. | Kontakter med låg resistans och områden med delvis ledaregenskaper. |
Från kvarts till kristall för elektronik
Kiseltillverkning är en följd av steg där den kemiska sammansättningen och strukturen kontrolleras allt noggrannare. Kvarts reduceras till metallurgiskt kisel, som renas med hjälp av flyktiga föreningar och fälls ut som polykisel, kristalliseras till en göt och skärs till skivor. Därefter formas strukturer i kislet genom hundratals strikt kontrollerade processteg.
- Karbotermisk reduktionKvarts eller kvartsit med hög renhet reagerar med kol i en ugn med nedsänkta elektroder. Den förenklade totalreaktionen är: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Kisel av metallurgisk renhetProdukten från ugnen innehåller vanligtvis cirka 98–99 % kisel, medan halten föroreningar fortfarande är alldeles för hög för avancerad elektronik.
- Kemisk omvandlingKisel omvandlas genom kemiska reaktioner till flyktiga klorsilaner eller silan, vilket gör att det kan destilleras och renas kemiskt flera gånger.
- Deponering av polykiselDe renade gaserna sönderdelas på upphettade ytor eller i system med fluidiserad bädd och bildar ultrarena stavar eller granulat.
- KristalltillväxtKristaller som dras med Czochralski-metoden eller renas med den degellösa zonraffineringsmetoden ger enkristaller med kontrollerade egenskaper; gjutning eller riktad stelning ger multikristallint material.
- Tillverkning av skivorInnan komponenttillverkningen börjar orienteras göten, sågas till skivor, kanterna rundas av och ytorna slipas, etsas och poleras.
Kvarts reduceras vid hög temperatur
I kemiska reaktioner i en elektrisk ugn avlägsnar kolhaltiga material syret, vilket ger smält kisel med en kontrollerad men fortfarande hög halt av föroreningar.
Kisel omvandlas till gaser som lämpar sig för rening
Flyktiga föreningar gör det möjligt att separera bor, fosfor, metaller, kolhaltiga kemikalier och andra föroreningar genom kemisk behandling.
Ultraren polykisel deponeras
Den höga renheten, uttryckt med många nior i procenthalten, uppnås genom att föroreningar som annars skulle förändra laddningsbärarnas livslängd och resistivitet avlägsnas eller separeras i varje processteg.
Kristallens orientering bestäms
En frökristall styr tillväxten så att den valda orienteringen bibehålls i det växande götet och koncentrationen av dopämnen kontrolleras.
Götet omvandlas till skivor
Trådsågning ger tunna skivor. Kantbearbetning, kemisk etsning och kemisk-mekanisk polering ger en plan yta med få defekter.
Komponenter byggs upp i lager
Elektroniska strukturer skapas över hela skivan genom oxidation, deponering, litografi, etsning, implantation, diffusion, rengöring, glödgning och metallisering.
Industriella former, kristalltyper och samlarprover
Prover av elementärt kisel är vanligtvis tillverkningsprodukter, inte fynd från geologiska expeditioner. Därför är den mest användbara informationen om deras ursprung industriell: tillverkningsprocess, renhetsgrad, odlingsmetod, kristallorientering, beläggning, tillverkare, datum och ursprungligt användningsområde.
Metallurgiskt kisel
Mörka, stålgrå bitar med glänsande brottytor, ojämnt fördelade föroreningar, glasartat brott och ibland en blåaktig eller bronsfärgad ytbeläggning.
Polykiselstav
Högrent deponerat kisel med en matt, knottrig, kornig eller blomkålsliknande yta runt en central tråd.
Polykiselgranulat
Små, lösa partiklar som framställts för att vara lätta att hantera och smälta vid kristallodling eller tillverkning av fotovoltaiska komponenter.
Monokristallin göt
En cylindrisk eller på annat sätt formad kristall där orientering, diameter, syrehalt, dopämne och resistivitet kontrolleras noggrant.
Spegelpolerad skiva
En tunn, mycket plan skiva med en skåra eller en rak kantsektion för orientering. Färgen kan komma från oxid-, nitrid-, fotoresist- eller flerskiktsfilmer.
Multikristallin skiva
Ett snitt som innehåller många kristallkorn, ofta synliga genom etsade gränser, riktad textur eller varierande reflektion.
Dendritiskt kisel
Grenade kristallformer som odlats ur en smälta genom kontrollerad avkylning, snarare än bildats genom mineralers vanliga tillväxt i naturen.
Amorf kiselplatta
Ett tunt deponerat skikt som används i elektronik, detektorer, bildskärmar och fotovoltaiska strukturer, snarare än en fristående samlarkristall.
Czochralskikisel
Odlas ur en smälta i en kiseldioxiddegel. Syrehalten kan regleras och påverkar den mekaniska hållfastheten och defekternas beteende.
Kisel framställt genom degelfri zonraffinering
En smal smältzon rör sig längs en stav utan att använda en degel, vilket ger kisel med extremt låg syrehalt och hög resistivitet.
Multikristallint kisel för solceller
Traditionellt gjöts det till block som innehöll många kristallkorn. Korngränser och föroreningar gör passivering och noggrann utformning av solceller nödvändiga.
Tekniskt bearbetat chip
En tillsågad bit av en skiva med transistorer, sensorer, sammankopplande ledare, optiska strukturer eller testmönster. De synliga färgerna orsakas främst av tunna ytfilmer.
Historisk skiva
En skiva med dokumenterat ursprung, knuten till ett välkänt forskningsprogram, en produktionslinje, en generation av komponenter eller en institution, kan ha en teknikhistorisk betydelse som överstiger dess materialvärde.
Sällsynt klimp av kisel
Naturliga korn av elementärt kisel är vanligtvis mikroskopiska, identifieras med analysmetoder och förekommer inbäddade i en meteorit eller en ovanlig matris av jordiskt ursprung, inte som stora separata kristaller till salu.
Ytkemi, tunnfilmsfärger och infrarött ljus
Obelagt kisel är inte naturligt klart blått, violett eller guldaktigt. Dessa färger uppstår vanligtvis när ljus reflekteras både från den övre och den nedre gränsytan hos en tunn, genomskinlig film. Även små förändringar i oxid- eller nitridtjocklek förändrar interferensfärgen markant.
Naturlig oxid
Vid kontakt med luft bildas ett mycket tunt oxidskikt som kemiskt passiverar ytan, men det kan vara för tunt för att skapa en tydligt synlig färg.
Termisk oxid
Kontrollerad oxidation skapar ett tätt SiO₂-skikt vars tjocklek kan mätas optiskt och anpassas för isolering, maskering och styrning av ytegenskaper.
Kiselnitrid
Si₃N₄-beläggningar används för passivering, hantering av mekaniska spänningar, maskering och minskning av reflexioner. Deras interferensfärger kan likna oxidfärger eller vara starkare.
Fotoresist och processfilmer
Organiska resister, metaller, dielektrika och flerskiktsstrukturer ger extra färger som inte återspeglar själva elementära kislets bulkfärg.
Genomsläpplighet för infraröd strålning
Under absorptionskanten släpper tillräckligt rent kisel igenom en del av det infraröda spektrumet och har ett högt brytningsindex.
Absorption av fria laddningsbärare
Kraftig dopning tillför rörliga laddningsbärare som absorberar infraröd strålning och begränsar det användbara optiska fönstret.
| Observerat kännetecken | Sannolik orsak | Vad man bör tänka på vid bedömningen |
|---|---|---|
| Jämnt stålgrå brottyta | Färsk yta av elementärt kisel med en tunn dekorativ ytfilm. | Metallurgiska föroreningar kan göra ytan mörkare eller ge den ett fläckigt utseende. |
| Blå, violett, rosa eller bärnstensfärgad wafer | Tunnfilmsinterferens orsakad av oxid, nitrid, resist eller flerskiktsbehandling. | Färgen i sig avslöjar inte typen av dopningsämne, renheten eller komponentens syfte. |
| Spegelblankt svart polerad yta | Absorption av synligt ljus i kombination med en extremt slät reflekterande yta. | Ett mörkt utseende betyder inte att materialet är amorft eller orent. |
| Matt polykrystallinisk yta | Många små kristallina väggar, korngränser, deponerade knottror eller kemisk etsning. | Texturen kan uppstå under tillverkningen, inte genom naturlig kristallisation. |
| Radiella märken eller virvelmärken på skivan | Polering, rengöring, ojämn deponering, kristalltillväxtstrimmor eller rester från tillverkningsprocessen. | Professionell mikroskopisk undersökning kan behövas för att skilja tillverkningsspår från skador. |
| Ett korrekt hack eller ett rakt kantsegment | Ett orienterings- och hanteringselement som utformats under tillverkningen. | Detta är inte en naturlig vittringsskada. |
Användningsområden: från kemin hos bergartsbildande föreningar till programmerbara ytor
Kisels betydelse sträcker sig långt bortom datorprocessorer. Dess föreningar dominerar geologiska material, medan renat elementärt kisel används för energiomvandling, i sensorer, mekanik, optik, kemi och precisionsmätningar.
Glas och keramik
Kiseldioxid och silikater används för att tillverka fönsterglas, fibrer, optiskt glas, porslin, eldfasta material, glasyrer, laboratorieglas och teknisk keramik.
Cement och betong
Kalciumsilikater står för huvuddelen av hydratiseringen i portlandcement och betongens ökade hållfasthet.
Integrerade kretsar
Kiselplattor används för att skapa logik-, minnes-, analogelektronik-, effektstyrnings-, kommunikations- och blandade signalsystem.
Fotovoltaik
Kristallint kisel absorberar solljus, separerar ljusgenererade laddningsbärare vid övergångar och utgör fortfarande grunden för de flesta konventionella solcellsmoduler.
MEMS och sensorer
Mikromekaniskt bearbetat kisel används för att tillverka accelerometrar, trycksensorer, mikrofoner, gyroskop, vätskekontrollsystem och resonansstrukturer.
Infraröd optik och fotonik
Det höga brytningsindexet och infraröda genomsläppligheten möjliggör vågledare, modulatorer, detektorer, linser och integrerade optiska kretsar.
Metallurgiska legeringar
Kisel förbättrar gjutegenskaperna, avlägsnar syre ur stål, förändrar egenskaperna hos aluminiumlegeringar och ingår i värmetåliga siliciider.
Silikonmaterial
Slutprodukter från industriell kiselkemi omfattar tätningsmedel, elastomerer, smörjmedel, inkapslingsmaterial, material för medicinskt bruk och värmetåliga polymerer.
Precisionsmetrologi
Ultraren kisel med kontrollerad isotopsammansättning, i form av kristaller och sfärer, används för dimensionsmätningar och studier av fundamentala konstanter.
Kvantenheter
Isotoprengjort kisel kan minska magnetiskt brus kring spinnbaserade kvanttillstånd och ge en välutvecklad tillverkningsplattform.
Identifiering och material som ofta förväxlas
Massivt grundämne kisel känns säkrast igen på en kombination av egenskaper: låg densitet för ett material med metalliskt utseende, sprött mussligt brott, mörkgrå färg, hård yta, avsaknad av metallers formbarhet och industriellt ursprung. Tillverkade skivor är lättare att identifiera genom geometri, skåra, polering och tekniska skikt än med fälttester.
Icke-förstörande undersökningssekvens
Innan du testar en enda blank yta bör du undersöka hela objektet. Förpackning, etiketter, spår av bearbetning, orienteringsskåror och tillhörande utrustning för industriella material kan ge mer information än själva brottytan.
- Fastställ objekttypenSkilj mellan smältverksframställt kisel, polykisel, enkristall, skiva, chip, belagt substrat, legering eller imitation.
- Gör en grov bedömning av densitetenKisel verkar oväntat lätt jämfört med galenit, hematit, stål eller kiselkarbid av liknande storlek.
- Undersök brottytans geometriLeta efter musselliknande böjningar, skarpa kanter, ljusreflekterande ytor och varierande korngränser.
- Undersök ytskiktssystemetFastställ om färgen kommer från en oxid, nitrid, metall, resist, föroreningar eller en dekorativ beläggning.
- Leta efter kornstrukturI polykristallint material kan kristallgränser, korn, segregerade föroreningar och oregelbundna brottytor vara synliga.
- Kontrollera magnetiska egenskaperRent kisel är inte ferromagnetiskt; en stark reaktion kan tyda på ferrokisel, fastsittande metall eller föroreningar.
- Undvik att repa skivorHårdhetstester skadar polerade ytor och kan orsaka sprickor som utgår från kanten.
- Använd analysmetoder vid behovRamanspektroskopi, röntgendiffraktion, mätningar av elektrisk resistivitet, mätningar av infraröd transmission och metoder för sammansättningsanalys kan bekräfta materialets identitet och tekniska tillstånd.
| Material | Varför det kan likna kisel | Användbara särskiljande egenskaper |
|---|---|---|
| Kvarts eller kvartsglas | Liknande hårdhet, mussligt brott och en kemisk sammansättning med hög kiselhalt. | Kvarts och kvartsglas består av SiO₂, är vanligtvis genomskinliga eller halvgenomskinliga och har ingen metallglans; grundämnet kisel är mörkt och ogenomskinligt. |
| Kiselkarbid | Ett mörkt kovalent material vars ytor har metallglans eller regnbågsglans. | SiC är mycket hårdare och tätare; det har ofta en tydligare konstgjord regnbågsglans eller plattformade kristaller. |
| Galenit | Blygrått metalliskt utseende och sprödhet. | Galenit är mycket tyngre, mjukare och har perfekt kubisk spaltning. |
| Hematit | Stålgrå ytor med metallisk eller halvmetallisk glans. | Hematit är tätare och lämnar ett rödbrunt streck. |
| Grafit | Mörkgrå färg, halvmetallisk glans och elektrisk ledningsförmåga. | Grafit är mycket mjukt, känns fett vid beröring, lämnar ett mörkt streck och delar sig i böjliga fjäll. |
| Ferrokisel | Industriella, mörka block med metallglans och hög kiselhalt. | Högre densitet, eventuella magnetiska egenskaper, faser av metallegeringar och en kemisk sammansättning med hög järnhalt. |
| Metallglas eller slagg | En mörk, ljusreflekterande brottyta och oregelbunden industriell form. | Bubblor, flödesstruktur, varierande densitet, blandad sammansättning och avsaknad av kännetecken för kristallint kisel. |
| Belagd glasskiva | En platt, rund skiva med färgade tunna filmer. | Ljusgenomsläpp vid kanten, lägre densitet, brottmönster och optiska undersökningar hjälper till att skilja glas från kisel. |
Isolering, halvledarvetenskap och framväxten av kislets teknologiska plattform
Kislets historia sträcker sig från mineralanalys till kemisk isolering, från ett sprött laboratoriematerial till en ultraren kristall och från enstaka likriktare till integrerade system. Den avgörande vändpunkten var inte bara upptäckten av grundämnet, utan också förmågan att kontrollera dess renhet, yta, kristalldefekter och gränsytor.
Kiseldioxid identifieras som en okänd elements oxid
Kemister förstod att kvarts och besläktade material innehåller en komponent som står emot vanliga reduktionsmetoder, men den var fortfarande svår att isolera eftersom kisel bildar starka bindningar med syre.
Orent kisel framställs och dess engelska namn uppstår
Tidiga reduktionsförsök gav ett kiselhaltigt material, och det engelska namnet ”silicon” ersatte former som låg närmare namnbildningen för metalliska grundämnen.
Jöns Jacob Berzelius isolerar amorft kisel
Berzelius framställde och beskrev ett betydligt renare grundämne och lade grunden för att fastställa kislets kemiska identitet.
Kristallint kisel framställs
Henri Sainte-Claire Deville framställde kristallint kisel, vilket gjorde det lättare att undersöka dess glans, sprödhet och struktur.
Kisel blir material för elektrondetektorer
Spetskontaktskomponenter och kristalldetektorer visade likriktning innan odling av högrena kristaller möjliggjorde modern halvledarteknik.
Högrent kisel banar väg för transistorer och praktiskt användbara solceller
Renframställning, kontroll av dopämnen, bildning av övergångar och kristalltillväxt etablerade kisel som ett allt mer praktiskt alternativ till germanium.
Ytpassivering, planarteknik och MOS-enheter omformar tillverkningen
En kontrollerad gränsyta mellan kisel och oxid gjorde det möjligt att skydda ytor, forma enheters konturer med fotolitografi och skapa integrerade kretsar med hög komponenttäthet.
Kisel används allt mer inom fotovoltaik, MEMS, fotonik, metrologi och kvantforskning
Samma tillverkningsplattform används nu för energiomvandling, mekaniska sensorer, optiska kretsar, kristaller med kontrollerad isotopsammansättning och enheter med nanometerdimensioner.
Kisel blev ett grundmaterial inte för att det är särskilt ledande i naturligt tillstånd. Det fick den rollen eftersom dess ledningsförmåga, yta, geometri och gränsytor kan styras med anmärkningsvärd precision.
Värdering, proveniens och relativ betydelse
Det finns inget universellt system för att värdera samlarkisel. Olika värderingsprioriteringar gäller för en obehandlad smältverksgöt, en polykiselstav, en enkristall för forskning, en produktionsskiva, ett chip med mönstrad krets, en tidig solcell, en historisk integrerad krets och ett sällsynt naturligt korn.
Materialidentitet
Bekräfta om objektet är elementärt kisel, en legering, kiselkarbid, belagt glas, en tekniskt bearbetad halvledare eller något annat industriellt material.
Kristallform
Dokumentera om provet är enkristallint, polykristallint, dendritiskt, i form av en amorf film, poröst, sprucket, sågat, polerat eller deponerat.
Ytintegritet
Kontrollera kantflisor, klyvning längs klyvningsplan, repor, grumlighet, fingeravtryck, oxidfärg, delaminering, korrosion och skador på metalliseringsskiktet.
Teknologiskt ursprung
Tillverkare, odlingsmetod, tillverkningsplats, skivans kristallografiska orientering, dopämne, resistivitet, diameter, datum och avsedd användning kan vara mer betydelsefulla än ett felfritt utseende.
Historisk kontext
Forskningsetiketter, tillverkningsgeneration, institution, enhetstyp, kapsling och dokumentation kan bidra till att fastställa den teknikhistoriska betydelsen.
Naturligt ursprung
Påståenden om naturligt förekommande kisel måste styrkas med fyndplats, värdmaterial, analytiska belägg och en bevarad ursprunglig matris.
| Objekttyp | Viktigaste egenskaperna | Vad du ska kontrollera |
|---|---|---|
| Stycke metallurgiskt kisel | Karakteristiskt brott, industriellt ursprung, föroreningarnas struktur, storlek och stabil yta. | Om det har blandats ut med ferrokisel, om det innehåller slagg, beläggning eller oxidering, om det har vassa kanter och om ursprunget är dokumenterat. |
| Polykristallin kiseltacka eller korn | Avsättningsmorfologi, renhetsdokumentation, tillverkningsmetod och intakt struktur. | Föroreningar, spår av hantering, brusten tråd, beläggning och vilseledande påståenden om naturkristaller. |
| Enkristallskiva | Diameter, orientering, skåra, tjocklek, polering, dopämne, resistivitet och tillväxtmetod. | Utskavda kanter, mikrosprickor, skevhet, repor, föroreningar, beläggning och okänd bearbetningshistorik. |
| Mönstrad skiva | Komponent- eller testmönster, tillverkningssammanhang, datum, chipplacering, dokumentation och ytans bevarandetillstånd. | Korroderad metall, delaminerade filmer, fotorestrester, avbruten kant och ofullständiga uppgifter om ursprunget. |
| Historiskt chip eller krets | Identifierbar funktion, tillverkare, datum, hölje, institution och tekniskt sammanhang. | Utbytt hölje, borttagna etiketter, förfalskad märkning, brustna anslutningar och saknad dokumentation. |
| Prov av gediget kisel | Naturlig matris, exakt fyndplats, analytisk bekräftelse, skala och publikationshistorik. | Industriell förorening, smältverksmaterial, nedslagsfragment, konstgjord inbäddning och obestyrkt ursprungstillskrivning. |
Skötsel, förvaring, visning och säkerhet i verkstaden
Massivt elementärt kisel är kemiskt stabilt under normala inomhusförhållanden, men kanterna är spröda och bearbetade ytor kan innehålla känsliga oxider, nitrider, metaller, polymerer eller komponentstrukturer. Skötseln bör anpassas efter hela föremålet, inte bara kiselsubstratet.
Massiva bitar
Förvara oregelbundet formade bitar i vadderade hållare, skydda dem från fall och håll vassa brottkanter borta från närliggande prover och händer.
Obelagda skivor
Fatta tag i kanten med rena handskar eller lämpliga verktyg för hantering av skivor. Undvik att böja dem, trycka på kanterna, stapla dem utan mellanlägg eller låta dem komma i kontakt med slipande partiklar.
Belagda skivor
Utgå inte från att en färgstark yta tål vatten, alkohol, lösningsmedel, rengöringsmedel eller avtorkning. Den synliga filmen kan vara mjukare och mindre stabil än kislet.
Bearbetade komponenter
Metallbanor, kontaktbeläggningar, polymerer och kapslade kretsar kan korrodera eller delamineras. Aktiva elektroniska komponenter kan också behöva skydd mot elektrostatisk urladdning.
Dammbekämpning
Torrslipa inte kisel, skrubba det inte med sandpapper, borra inte i det och krossa det inte utan att vidta försiktighetsåtgärder. Använd lämpliga våtmetoder eller punktutsug och använd lämpligt ögon- och andningsskydd.
Industriavfall med okänt ursprung
Bearbetat material kan ha metallfilmer, dopämnen, rester, lödmaterial, fotoresist eller föroreningar som inte syns när man tittar på framsidan.
| Risk | Möjlig påverkan | Förebyggande åtgärd |
|---|---|---|
| Kantstöt | Urtagning, radiella sprickor, sprickutbredning och vassa fragment. | Använd vadderade stöd, hållare som inte vidrör kanterna och förvara skivorna separat. |
| Böjning av skivan | Plötsligt fullständigt brott vid en liten böjning eller på grund av en befintlig kantskada. | Lyft med jämnt stöd och tvinga aldrig in en skiva i en för trång hållare. |
| Slipdamm | Permanenta repor, grumlighet, förlust av glans på den polerade ytan och skador på tunna filmer. | Avlägsna lösa partiklar med en ren blåsbälg eller en kontrollerad kontaktfri metod innan du torkar av ytan. |
| Hushållslösningsmedel eller rengöringsmedel | Resist som sväller, beläggning som lossnar, metallkorrosion, rester och förändrad interferensfärg. | Använd inte godtyckligt valda kemiska rengöringsmetoder på bearbetade ytor. |
| Temperaturgradient | Sprickbildning på grund av spänningar, delaminering av filmer och skador på metallisering. | Undvik öppen låga, ånga, värmeplattor, starka lampor och plötsliga temperaturförändringar. |
| Elektrostatisk urladdning | Skador på fungerande eller historiskt betydelsefulla aktiva kretsar. | Om enheten fortfarande är elektriskt aktiv eller oskyddad ska du använda antistatiska åtgärder när du hanterar den. |
| Torrkapning eller slipning | Vassa partiklar i luften och eventuellt brännbart fint pulver. | Använd dammkontrollåtgärder som lämpar sig för professionellt arbete och undvik att bearbeta avfall med okända beläggningar. |
| Instabil fastspänning | Skivan glider, kanterna utsätts för tryck, går sönder eller slits mot hårda klämmor. | Använd breda stöd av inerta material som inte orsakar punktbelastning. |
Dokumentation och ansvarsfull beskrivning
En utförlig beskrivning av ett kiselsample anger separat grundämnessammansättning, renhetsklass, kristallstruktur, industriell form, processteknisk historik, beläggning, enhetens tillstånd, naturligt ursprung och skick. Enbart benämningen ”kiselkristall” kan dölja merparten av den information som ger provet dess betydelse.
Materialidentitet
Ange om det är elementärt kisel, ferrokisel, kiselkarbid, belagt kisel, ett glassubstrat, polykisel eller ett annat bekräftat material.
Kristallinitet
Dokumentera om strukturen är enkristallin, multikristallin, polykristallin, amorf, porös, dendritisk eller okänd.
Tillväxt- och reningsmetod
Ange, om känt, metallurgisk smältning, Siemensdeponering, framställning av granulat i fluidiserad bädd, tillväxt med Czochralski- eller zonflyttningsmetoden, gjutning eller filmbeläggning.
Elektroniska egenskaper
Bevara uppgifter om kristallografisk orientering, dopämne, ledningstyp, resistivitet, diameter, tjocklek, planhet, klass för syrehalt och användningsområde i komponenter.
Ytskiktens struktur
Beskriv om ytan är obelagd, oxiderad, nitrerad, metalliserad, belagd med fotoresist, passiverad, mönstrad, etsad eller om provet sitter i ett hölje.
Ursprung och skick
Bevara uppgifter om tillverkare, institution, projekt, datum, förpackning, tidigare användning, kantflisor, repor, föroreningar, reparationer och fotografier.
Modern symbolik och reflektionens betydelse
Moderna symboliska tolkningar av kisel kan utgå direkt från dess verkliga materialegenskaper: en fyrfaldig bindningsstruktur, kontrollerade dopämnen, selektiv ledningsförmåga, gränssnitt mellan skikt, precis mönsterformning och omvandlingen av rikligt förekommande mineralråvara till en exakt kristallin plattform. Dessa teman är moderna reflektioner, inte påståenden om forntida kiseltraditioner.
Först struktur, sedan komplexitet
Ett enormt elektroniskt system börjar med upprepade lokala bindningar: varje atom är förutsägbart bunden till fyra grannar.
Små tillsatser, stor effekt
Mycket låga koncentrationer av dopämnen kan förändra ledningsförmågan med flera storleksordningar, vilket påminner om att noggrant utvalda tillsatser är viktigare än obetänksam mängd.
Gränssnitt skapar funktion
Gränsen mellan kisel och ett isolerande skikt är inte bara en avskiljare: det är just här som styrbara kanaler och komponenter blir möjliga.
Renhet genom urval
Den renhet som krävs för elektronik uppnås genom upprepad separation och mätning, inte genom en enda dramatisk borttagningsåtgärd.
Begränsningar definierade av mönster
En användbar krets leder inte ström överallt. Den styr rörelsen genom avsiktligt utformade områden, barriärer och övergångar.
Yta och insida
Waferns färg kan bero på en film som bara är några nanometer tjock, vilket påminner om att det yttre utseendet och den underliggande strukturen hänger samman men inte är identiska.
Översikt över wafer och måne
- Välj ett system som verkar komplext eftersom varje del av det anses vara lika ledande.
- Fastställ den grundläggande strukturen som ska förbli stabil.
- Nämn ett bidrag att öka, en förorening att avlägsna och en gräns att stärka.
- Definiera var det ska vara lätt att röra sig och var motstånd är till nytta.
- Välj en mätbar åtgärd som förändrar systemet utan att bygga om det helt.
- Utvärdera resultatet efter en hel cykel och ändra bara en variabel åt gången.
Läs vidare i specialiserade kiselguider
Man kan lära känna kisel genom elementärt kisels kristallografi, halvledaroptik, geologi, industriell rening, polykristallin struktur, teknikens historia, modern symbolik och reflekterande praktik.
Vanliga frågor
Är kisel en metall?
Kisel klassificeras vanligtvis som en halvmetall. Ytan ser metallisk ut, men kisel är en halvledare med kovalenta bindningar vars ledningsförmåga påverkas betydligt mer av temperatur och dopämnen än hos en vanlig metall.
Är kisel och kiseldioxid samma sak?
Nej. Kisel är det kemiska grundämnet Si. Kiseldioxid har formeln SiO₂; till kiseldioxid räknas kvarts, kristobalit, tridymit, opal, kiseldioxidglas och högtrycksformer.
Är kisel och silikon samma sak?
Nej. Silikoner är en grupp syntetiska polymerer med en huvudkedja av växelvis ordnade kisel- och syreatomer och organiska sidogrupper bundna till den. Silikongummi, silikonolja, silikonharts och silikonfogmassa är inte elementärt kisel.
Varför är gediget kisel så sällsynt?
Kisel bildar starka bindningar med syre och ingår lätt i strukturer av kiseldioxid och silikater. För att naturligt elementärt kisel ska bildas krävs ovanligt reducerande förhållanden, och dess bildningar är vanligtvis mikroskopiska.
Varför ser en kiselwafer blå eller violett ut?
Färgen uppstår vanligtvis genom interferens i en tunn oxid-, nitrid- eller fotoresistfilm, eller i en flerskiktsfilm. Blottat, polerat kisel är i sig mörkgrått till nästan svart.
Varför används kisel i datorchip?
Kisel har en lämplig bandgapbredd, en högkvalitativ naturlig och termiskt bildad oxid, utmärkt ytpasivering, tillräcklig värmeledningsförmåga och mekanisk hållfasthet. Dessutom är råvarorna rikliga, reningsteknikerna mogna och tillverkningsmetoderna mycket välutvecklade.
Vad är skillnaden mellan kisel av p-typ och n-typ?
Kisel av p-typ innehåller acceptordopämnen som gör hål till de dominerande laddningsbärarna. Kisel av n-typ innehåller donatordopämnen som gör elektroner till de dominerande laddningsbärarna.
Vad är ett hål?
Ett hål är en effektiv positiv laddningsbärare som är kopplad till avsaknaden av en elektron i ett tillstånd i valensbandet. Det beter sig som om en positiv laddning rörde sig genom kristallen.
Vad är polykisel?
Polykisel är polykristallint elementärt kisel med hög renhet. Det deponeras vanligtvis i form av stavar, bitar eller granulat och smälts sedan för tillverkning av wafers eller solceller.
Vad är skillnaden mellan polykristallint och monokristallint kisel?
I monokristallint kisel har en och samma kristallorientering genom hela den använda volymen. Polykristallint kisel består av många korn som skiljs åt av gränser, vilka påverkar brott, fördelningen av föroreningar och laddningsbärartransporten.
Vad är amorft kisel?
Amorft kisel saknar långväga kristallordning och deponeras vanligtvis som en tunn film. Väte tillsätts ofta för att passivera omättade bindningar och förbättra de elektroniska egenskaperna.
Vad är kisel som odlats med Czochralski-metoden?
Det är enkristallint kisel som odlas genom att en kristallkärna långsamt dras upp och roteras från smält kisel i en kiseldioxiddegel. Med denna metod tillverkas de flesta vanliga stora halvledarskivorna.
Vad är kisel som framställts med beröringsfri zonraffinering?
Kisel renas och kristalliseras med den beröringsfria zonraffineringsmetoden genom att en smal smält zon förs längs en kiselstav utan att använda en degel. På så sätt kan man uppnå mycket låg syrehalt och hög resistivitet.
Varför släpper kisel inte igenom synligt ljus men passar för infraröddoptik?
Fotoner i synligt ljus har vanligtvis tillräckligt med energi för att absorberas genom elektronövergångar i kisel. Infraröda fotoner med lägre energi kan passera genom tillräckligt rent material inom ett visst våglängdsområde, som beror på användningsområdet.
Leder kisel naturligt elektricitet?
Vid rumstemperatur leder rent kisel elektricitet dåligt jämfört med en metall. Värme, ljus, defekter och avsiktlig dopning kan öka dess ledningsförmåga avsevärt.
Varför ökar kisels ledningsförmåga när det värms upp?
Värme exciterar fler elektroner så att de kan ta sig över bandgapet, vilket skapar fler elektron-hål-par. Ökningen av antalet laddningsbärare kan väga upp den minskade rörligheten som orsakas av gittervibrationer.
Kan elementärt kisel repa glas?
En vass kiselskiva kan repa många vanliga glas eftersom dess hårdhet är cirka 6,5–7 på Mohs skala. Det är inte nödvändigt att testa hårdheten hos en tillverkad skiva eller ett dokumenterat prov, och ett sådant test skadar dem permanent.
Varför går kisel sönder så lätt trots att det är hårt?
Hårdhet beskriver motstånd mot repor, inte mot brott. Kisels gitter med riktade kovalenta bindningar är styvt men sprött, och tunna skivor är känsliga för kantdefekter och böjning.
Kan kisel rengöras med vatten?
Obelagt massivt kisel tål kortvarig kontakt med vatten, men behandlade skivor kan innehålla filmer, metaller, polymerer eller rester som inte tål det. För ett oidentifierat behandlat prov är torr, beröringsfri rengöring ett säkrare förstahandsval.
Kan jag polera en trasig kiselskiva?
Polering avlägsnar den befintliga ytan och kan förstöra den färg som oxiden ger, enhetslager, ursprungsmarkörer och kantgeometri. Det bildas också fint damm, så detta bör inte göras lättvindigt.
Är kiselkarbid en form av kisel?
Kiselförening innehåller kisel, men är en separat förening med formeln SiC. Den är hårdare, tätare och mer värmetålig, och dess elektroniska egenskaper skiljer sig från elementärt kisels.
Vad betyder skåran i skivan?
Skåran görs vid tillverkningen för att underlätta identifiering av skivans orientering och hantering. Den hjälper automatiserad utrustning att orientera skivan och markerar en referenskristallografisk riktning.
Går det att fastställa den exakta filmtjockleken utifrån oxidens färg?
Vid kontrollerad belysning kan färgen ge en ungefärlig indikation på tjockleken, men för att fastställa den exakt krävs en kalibrerad optisk mätning, eftersom färgen också beror på vinkeln, substratet, brytningsindexet och ytterligare skikt.
Vad bör stå på provets etikett?
Ange grundämne, renhet eller kvalitetsklass, monokristallin eller polykristallin form, odlingsmetod, skivorientering, dopämne och resistivitet om de är kända, beläggning, tillverkare, datum, tidigare användning och skick.
Avslutande reflektioner
Kisels struktur bygger på en enkel lokal regel: varje atom bildar fyra riktade bindningar. När regeln upprepas genom hela kristallen bildas ett gitter som är tillräckligt stelt för att utgöra grunden för precisionsinstrument, men samtidigt så sprött att det kan spricka från en skadad kant. Samma bindningar ger upphov till ett indirekt bandgap, måttlig värmeledningsförmåga, högt brytningsindex i det infraröda spektralområdet och en yta där ett oxidskikt med mycket exakt kontroll kan formas.
I geologiska miljöer förekommer kisel sällan i fri form. Det binder sig till syre och bildar tetraedrar, som i sin tur förenas till separata grupper, ringar, kedjor, skikt och nätverk. På så vis blir kisel en beståndsdel i mantelmåneral, vulkaniskt glas, granit, lera, jord, sand, kiselalgers skal, betong, porslin och fönsterglas.
Industriell bearbetning styr denna naturliga benägenhet att oxidera i motsatt riktning. Kvarts reduceras, kisel renas med hjälp av flyktiga föreningar, fälls ut som polykristallint kisel, odlas till en kristall med kontrollerade egenskaper och skärs till skivor. Genom upprepade cykler av materialtillsättning och borttagning skapas sedan mönster i skivorna. Ytterst små mängder dopämnen förändrar de elektriska egenskaperna; filmer som bara är några nanometer tjocka förändrar färgen och gränsytorna; mikroskopiska defekter avgör om en komponent fungerar eller går sönder.
Därför förenar en heltäckande förståelse av kisel mineralogi, kristallografi, termodynamik, fasta tillståndets fysik, optik, metallurgi, kemi, tillverkning, elektronik, energi, bevarande och teknikens historia. Det som gör kisel unikt är varken dess naturliga elektriska ledningsförmåga eller dess imponerande utseende. Det unika är att ett vanligt bergartsbildande grundämne kan renas och få sin struktur och sina mönster formade, tills själva materialet blir programmerbart.