Полікристалічний кремній
Linas JuozėnasПоділитися
Полікристалічний кремній
Полікристалічний кремній – кристалічний матеріал із кремнію, що складається з багатьох окремих кристалів кремнію, які називаються зернами. У кожному зерні атоми розташовані в упорядкованій кубічній ґратці типу алмазу, але ґратки сусідніх зерен повернуті під різними кутами. У місцях їхнього стику утворюються межі зерен. Саме ця полікристалічна структура відрізняє полікристалічний кремній від монокристалічного й надає йому характерної мозаїчної поверхні. Цей матеріал став однією з найважливіших проміжних ланок, що поєднують кварцову сировину, сонячні елементи, мікроелектроніку та надчисті кристали кремнію.
Хімічно це той самий кремній, але замість однієї безперервної орієнтації кристала він містить тисячі чи мільйони менших кристалічних ділянок
Чистий кристалічний кремній складається з атомів кремнію, з’єднаних у надзвичайно впорядковану тривимірну сітку. В одному кристалічному зерні ця впорядкованість зберігає ту саму орієнтацію.
Полікристалічний матеріал містить безліч таких зерен. Одне може бути повернуте на кілька градусів, а інше – орієнтоване зовсім в іншому напрямку. Усередині зерна ґратка залишається впорядкованою, але ближче до його краю ряди атомів уже не можуть продовжуватися цілком правильно.
Ділянка їхнього зіткнення називається межею зерна. Локальне оточення деяких атомів там дещо відрізняється, тому в цих ділянках можуть накопичуватися дефекти кристалічної структури, домішки та електронні стани.
На перший погляд ця відмінність може здаватися незначною, але в електроніці вона дуже важлива: електрони й дірки рухаються майже ідеальною кристалічною ґраткою інакше, ніж матеріалом, у якому є безліч меж зерен.
Суть полікристалічного кремнію: кожне окреме зерно є кристалом, але весь матеріал не є одним кристалом. Це спільнота багатьох кристалів.
Кристалічне зерно
Невелика ділянка кремнію, у якій атоми зберігають спільну кристалографічну орієнтацію.
Межа зерен
Ділянка, де зустрічаються дві по-різному повернуті кристалічні ґратки.
Полікристалічне ціле
Багато зерен механічно зростаються між собою, утворюючи єдиний суцільний шматок кремнію.
Сірий, блискучий, крихкий напівпровідник, на електричні властивості якого значною мірою впливають чистота, домішки та розмір кристалічних зерен
| Хімічний символ | Si |
|---|---|
| Тип матеріалу | Полікристалічний елементарний напівпровідник |
| Атомний номер | 14 |
| Кристалічна структура всередині зерна | Алмазоподібна кубічна структура |
| Твердість | Приблизно 6,5–7 за шкалою Мооса |
| Густина | Близько 2,33 г/см³ |
| Температура плавлення | Близько 1414 °C |
| Колір | Темно-сірий, сріблясто-сірий, синювато-сірий або майже чорний |
| Блиск | Від металевого до напівметалевого |
| Механічні властивості | Твердий, але крихкий |
| Електронний тип | Напівпровідник |
| Ширина забороненої зони | Близько 1,12 еВ за кімнатної температури |
| Електропровідність | Сильно залежить від температури, чистоти та контрольованого легування |
| Основна структурна відмінність | Багато кристалів різної орієнтації, розділених межами зерен |
Кожен атом кремнію зв’язаний із чотирма сусідніми атомами, утворюючи тетраедричну сітку, подібну до структури алмазу
Порядок, що повторюється у трьох вимірах
У кристалічному кремнії кожен атом має чотири найближчі сусідні атоми кремнію. Ковалентні зв’язки утворюють тривимірну тетраедричну сітку, яка визначає як геометрію кристала, так і його напівпровідникові властивості.
Чотири зв’язки
Кожен атом кремнію має чотири валентні електрони й утворює в кристалі чотири міцні ковалентні зв’язки.
Тетраедрична геометрія
Сусідні атоми розташовані в напрямках тетраедра, тому ґратка не є простою кубічною сіткою.
Структура алмазу
Тип ґратки кремнію загалом такий самий, як у алмазу, хоча атоми кремнію більші, а зв’язки слабші, ніж у кристалі вуглецю.
Електронні стани
Періодичне розташування атомів утворює валентну зону та зону провідності.
Заборонена зона напівпровідника
Між валентною зоною та зоною провідності залишається заборонена енергетична зона, тому кремній не є ні добре провідним металом, ні звичайним ізолятором.
Вплив температури
Тепло може надати електронам достатньо енергії для переходу в зону провідності та підвищити електропровідність.
У полікристалічному кремнії в кожному зерні повторюється та сама алмазоподібна кубічна ґратка. Відрізняється не локальне впорядкування атомів, а орієнтація всього зерна у просторі.
Мозаїкоподібна поверхня полікристалічного кремнію складається з окремих кристалічних ділянок, які через різну орієнтацію по-різному відбивають світло
Одна поверхня, багато кристалографічних кутів
Атоми на поверхні кожного зерна мають дещо різну орієнтацію відносно напрямків падаючого світла, хімічного травлення та механічної обробки. Через це сусідні області можуть здаватися світлішими, темнішими або синюватішими.
Усередині зерна
Тут атоми розташовані досить упорядковано, і структура дуже нагадує структуру монокристала.
Межа
У місцях, де зустрічаються дві області з різною орієнтацією, не всі атомні зв’язки можуть продовжуватися в цілком періодичній послідовності.
Дефекти кристала
На межах можуть бути спотворені зв’язки, дислокації та інші дефекти ґратки.
Накопичення домішок
Деяким стороннім атомам енергетично вигідніше накопичуватися на межах зерен, ніж усередині ідеальної ґратки.
Рекомбінація носіїв заряду
На межах електрони й дірки можуть легше рекомбінувати, тому скорочується тривалість їхнього корисного існування.
Розмір зерен
Що більші зерна, то менше меж у тому самому об’ємі матеріалу.
Межі зерен — це не просто видимі лінії. Це справжні стики кристалічних областей, здатні змінювати перенесення заряду, механічну реакцію та розподіл домішок.
Щоб отримати з діоксиду кремнію матеріал електронної чистоти, потрібно не лише розплавити кремній, а й видалити майже всі небажані домішки
Сировина з діоксиду кремнію
Промисловий процес виробництва зазвичай починається з кварцу або іншої сировини з високим вмістом діоксиду кремнію.
Відновлення вуглецем
За високої температури видаляють кисень і отримують елементарний кремній металургійної чистоти.
Кремній перетворюють на леткі сполуки
Щоб надзвичайно точно очистити кремній, його хімічним способом перетворюють на сполуки, які можна дистилювати.
Сполуки очищують
Дистиляція дає змогу відокремити речовини, температура кипіння й хімічні властивості яких відрізняються від потрібної сполуки кремнію.
Осаджують чистий кремній
За високої температури газоподібна сполука кремнію розкладається, а елементарний кремній осідає на нагрітій підкладці.
Отримують полікремній
Утворюється дуже чистий полікристалічний кремній, який згодом можна розплавити й використати для вирощування інших кристалічних форм.
У промисловості термін полікремній часто означає високочистий полікристалічний кремній — сировину, з якої згодом можна вирощувати монокристали або відливати мультикристалічні злитки.
Коли розплавлений кремній охолоджується, у багатьох місцях одночасно виникають зародки кристалів, які ростуть, доки не стикаються
Кремній розплавляють
Коли температура перевищує температуру плавлення, далекий кристалічний порядок зникає, а атоми рухаються в рідкому розплаві.
Температура починає знижуватися
Коли розплав охолоджується, виникають умови для повторного об’єднання атомів у кубічну кристалічну ґратку алмазного типу.
Утворюється багато зародків
У різних місцях розплаву починають рости окремі кристали кремнію.
Кристали збільшуються
Кожен зародок росте у власній кристалографічній орієнтації, приєднуючи дедалі більше атомів кремнію.
Зерна стикаються
Фронти кристалів, що ростуть, досягають один одного й більше не можуть продовжувати свої ґратки без структурного компромісу.
Утворюються межі зерен
Увесь матеріал твердне в один суцільний блок, але всередині нього зберігається багато різних кристалографічних орієнтацій.
Якби весь розплав кристалізувався з одного належно орієнтованого кристалічного зародка й не виникало додаткових зародків, можна було б отримати монокристал. Полікристал утворюється, коли одночасно росте багато центрів кристалізації.
Полікристалічний кремній допоміг перетворити фотогальванічну технологію на систему масового виробництва енергії
Від світла до електричного кола
Фотон сонячного світла може передати енергію електрону кремнію та збудити його до зони провідності. Належно сформована область електричного поля відділяє електрон від дірки, що залишилася, і спрямовує заряд у зовнішнє коло.
Поглинання фотонів
Світло з достатньою енергією може створити рухомий електрон і позитивний носій заряду — дірку.
Кремній p-типу та n-типу
Вводячи контрольовану кількість різних легувальних домішок, можна створити області з різною концентрацією носіїв заряду.
p–n-перехід
Електричне поле, що виникає на межі двох областей, допомагає розділяти носії заряду, створені світлом.
Втрати на межах зерен
Частина електронів і дірок може рекомбінувати на межах зерен, не встигнувши дістатися до електродів.
Великі зерна
Більші кристалічні зерна зменшують кількість меж і зазвичай допомагають зберегти кращі електронні властивості.
Синя поверхня
Синій колір, характерний для багатьох класичних полікристалічних сонячних елементів, посилюють поверхневі покриття, що зменшують відбиття.
Полікристалічний сонячний елемент не є «менш кристалічним», ніж монокристалічний. Він складається з багатьох справжніх кристалів — просто їхні орієнтації відрізняються, а між ними більше меж.
Тонкі шари полікристалічного кремнію дають змогу створювати транзистори там, де об’ємний монокристал не потрібен
Тонкоплівкові транзистори
Полікристалічний кремній можна використовувати в тонкоплівкових транзисторах дисплеїв та інших електронних структур.
Затвори інтегральних схем
Раніше сильно легований полікремній широко використовували як матеріал затворних електродів MOS-транзисторів.
Резистори
Контролюючи поєднання структури зерен, легування та геометрії шару, можна сформувати електричні резистори.
Мікромеханічні системи
Шари полікристалічного кремнію можуть утворювати мікроскопічні балки, мембрани та рухомі структури.
Датчики
Завдяки своїм механічним та електричним властивостям полікристалічний кремній можна використовувати в мікродатчиках тиску, руху та інших параметрів.
Контрольоване легування
Кількість бору, фосфору чи інших відповідних легувальних домішок може змінити концентрацію вільних носіїв заряду на багато порядків.
В електроніці слово полікремній часто означає не великий блискучий шматок кремнію, а дуже тонкий шар полікристалічного кремнію, інтегрований у складну структуру мікросхеми.
В обох матеріалах атоми сполучаються однаково, однак в одному кристалічна ґратка простягається майже без зміни напрямку, а в іншому вона розділена на численні кристалічні ділянки
Монокристал
Кристалографічна орієнтація майже всього зливка однакова.
Полікристал
Зливок складається з багатьох ділянок із різною кристалографічною орієнтацією.
Межі зерен
У монокристалі їх майже немає, тоді як у полікристалі вони утворюють розгалужену внутрішню мережу.
Перенесення електронів
Досконаліший порядок у монокристалі зазвичай дає змогу носіям заряду рухатися, стикаючись із меншою кількістю структурних перешкод.
Спосіб росту
Щоб виготовити монокристал, потрібно контролювати ріст одного кристала, тоді як полікристалічний матеріал може тверднути з багатьох центрів кристалізації.
Зовнішній вигляд
На поверхні полікристалічного матеріалу часто можна побачити мозаїчний візерунок, утворений окремими зернами.
Монокристалічний і полікристалічний кремній — це не дві різні хімічні речовини. Обидва можуть складатися майже з чистого елементарного кремнію — різниться лише масштаб кристалічного порядку.
Елемент, сполуки якого становлять значну частину світу гірських порід, також став однією з найважливіших основ цифрової цивілізації
У природі кремній майже ніколи не трапляється у вигляді великих кристалів чистого елемента, оскільки дуже легко сполучається з киснем. У кварці, польових шпатах і незліченній кількості силікатних мінералів він перебуває в окисненому стані.
Промислова історія кремнію почалася з уміння відокремлювати його від кисню та інших елементів, а згодом розробляли дедалі досконаліші методи його очищення.
Революції в електроніці був потрібен не просто кремній, а надзвичайно чистий кремній із контрольованою кристалічною структурою. Навіть дуже малі кількості небажаних елементів можуть суттєво змінити електричні властивості напівпровідника.
Виробництво полікристалічного кремнію стало сполучною ланкою між хімією сировини та інженерією кристалів. Із розплавленого очищеного полікристалічного кремнію можна формувати зливки для сонячних елементів або вирощувати великі монокристали для мікроелектроніки.
Так один із найпоширеніших елементів земної кори став матеріалом, для якого поширеність менш важлива, ніж надзвичайно точний контроль структури й чистоти.
Кремній набув технологічної цінності, коли люди навчилися не лише добувати його, а й контролювати майже всі аспекти кожного його кристала — від домішок до орієнтації атомів.
Місто багатьох кристалів
У розплавленому кремнії майже одночасно зародилося кілька маленьких кристалів.
Кожен почав рости у своєму напрямку.
«Якщо ми всі не будемо однаково орієнтовані, то ніколи не станемо єдиним тілом», — сказав перший кристал.
Однак температура продовжувала падати, а кристали — рости.
Нарешті їхні краї зустрілися.
Їхні ґратки не збігалися ідеально. Між ними з’явилася межа.
«Бачиш? — сказав перший. — Ми все ще різні».
«Так, — відповів другий. — Але тепер наша межа — це не проміжок. Вона стала місцем, де ми з’єдналися».
Коли весь розплав затвердів, досконалого кристала не було. Їх були мільйони — і разом вони стали одним функціональним матеріалом.
Це не давня легенда. Це творча оповідь, натхненна реальним ростом зерен у полікристалічному кремнії.
Єдність багатьох напрямків, здатність зберігати особливу структуру й водночас створювати більшу систему, що функціонує завдяки всім її частинам
У сучасній символічній мові полікристалічний кремній можна пов’язати зі співпрацею, створенням складних систем, поєднанням різних навичок і розумінням того, що єдність не обов’язково означає однаковість. Це творче тлумачення, а не науково доведений вплив на людей.
Окреме зерно
Кожна частина життя людини може мати власний напрямок і водночас бути частиною більшого цілого.
Межа зерен
Відмінність між двома людьми чи ідеями може стати не лише джерелом конфлікту, а й місцем їхнього об’єднання.
Кристалізація
Порядок може виникати одночасно в багатьох місцях, а згодом об’єднуватися в одну систему.
Напівпровідник
Здатність контролювати, коли енергія тече, а коли її потік зупиняється, може символізувати свідомо встановлені межі й цілеспрямовану діяльність.
Сонячний елемент
Енергію ззовні можна не лише поглинати, а й перетворювати на корисну роботу.
Мозаїчна цілісність
Складна система не мусить приховувати свої різні частини — іноді саме вони створюють її найцікавішу структуру.
Ритуал спільної структури
Ця суха символічна практика призначена для ситуацій, коли у вас є кілька різних завдань, навичок чи людей і ви хочете зрозуміти, як об’єднати їх в одну злагоджену систему, не змушуючи всі частини ставати однаковими.
Що знадобиться
- одного зразка полікристалічного кремнію;
- аркуша паперу;
- ручки;
- однієї системи чи проєкту, який ви хотіли б організувати ефективніше.
Зерна
Намалюйте на аркуші кілька окремих ділянок і впишіть у кожну по одній частині проєкту, людині, навичці чи обов’язку.
Напрямки
Поруч із кожною частиною зазначте, що вона робить найкраще і який її напрямок не слід насильно змінювати.
Межі
Між сусідніми ділянками запишіть, яка інформація, ресурси чи рішення мають переходити від однієї до іншої.
Місця дефектів
Позначте одну взаємодію, де зараз втрачається найбільше часу, енергії чи ясності.
Міцніший зв’язок
Оберіть одну невелику зміну, яка поліпшить взаємодію на цій конкретній межі: чіткіше правило, кращу передачу інформації чи простіший процес.
Слова для повторення
Помістіть полікристалічний кремній у центр діаграми й тричі промовте:
Я зберігаю кожен напрямок і зміцнюю кожен зв’язок,
з багатьох окремих частин я створюю цілісність, що їх перевершує.
Завершення
Промовте: «Для єдності не потрібна однаковість. Кожна частина може зберігати свій напрямок, а я зміцнюю місця, де вони зустрічаються».
Поширені запитання про полікристалічний кремній
Що таке полікристалічний кремній?
Яка його хімічна формула?
Чим полікристалічний кремній відрізняється від монокристалічного?
Що таке межа зерен?
Чи є кожне зерно полікристалічного кремнію справжнім кристалом?
Яка твердість кремнію?
Яка його густина?
Чому полікристалічний кремній має вигляд мозаїки?
Що таке полікремній?
Чи використовують полікристалічний кремній у сонячних елементах?
Чому межі зерен важливі в сонячних елементах?
Чи використовують полікремній у мікроелектроніці?
Що символізує полікристалічний кремній у сучасній уяві?
Полікристалічний кремній показує, що дієву структуру можна створити не усуваючи відмінності, а ретельно впорядковуючи місця, де зустрічаються різні напрямки
Його історія починається з того самого атома кремнію, який у природі найчастіше міститься в кварці та силікатних мінералах.
Очищений і розплавлений кремній, охолоджуючись, починає кристалізуватися в багатьох місцях одночасно.
Кожен кристал росте у своєму напрямку, а зустрічаючись, вони утворюють межі зерен і разом стають одним твердим полікристалічним тілом.
У світі технологій цей матеріал поєднує хімію, фізику кристалів, сонячну енергетику та мікроелектроніку. Символічно він може нагадувати, що складному цілому не обов’язково потрібен єдиний напрямок — іноді його сила розкривається саме завдяки тому, що безліч різних кристалів вчаться існувати в одному тілі.