Silicis
Linas JuozėnasПоділитися
Кремній
Кремній — це хімічний елемент, позначений символом Si і з атомним номером 14. У природі він майже ніколи не трапляється в чистому вигляді, оскільки легко сполучається з киснем та іншими елементами. Тому найчастіше ми зустрічаємо кремній у кварці, польових шпатах, слюдах, глинистих мінералах і численних інших силікатах. Очищений до надзвичайно високого рівня та вирощений у вигляді монокристала, він стає керованим напівпровідником, з якого виготовляють мікросхеми, датчики та сонячні елементи.
Елемент із чотирма зв’язками, здатний стати каркасом породи або точно керованим шляхом для електронів
Атом кремнію має чотири валентні електрони. Це дає йому змогу утворювати чотири міцні ковалентні зв’язки із сусідніми атомами.
У чистому кристалічному кремнії кожен атом сполучається з чотирма іншими атомами кремнію та створює тривимірну ґратку алмазного типу.
У природі кремній частіше сполучається з киснем. Тетраедри кремнію та кисню можуть бути окремими, з’єднаними в ланцюги, кільця, листи або суцільні каркаси.
Суть кремнію: ті самі чотири можливі зв’язки дають йому змогу створювати і величезне різноманіття силікатів у земній корі, і впорядкований напівпровідниковий кристал в електроніці.
Чотири валентні електрони
Вони дають кремнію змогу утворювати міцну мережу з чотирма зв’язками.
Положення металоїда
Кремній має властивості, характерні і для металів, і для неметалів, тому посідає проміжне місце.
Керована провідність
Чистий кремній має обмежену провідність, однак його електричну поведінку можна дуже точно змінювати невеликими домішками.
Твердий, крихкий і сірувато-блискучий кристал, провідність якого залежить від температури, світла та домішок
| Хімічний символ | Si |
|---|---|
| Атомний номер | 14 |
| Клас елемента | Металоїд |
| Кристалічна структура | Алмазна кубічна ґратка |
| Твердість | Приблизно 6,5–7 за шкалою Мооса |
| Густина | Приблизно 2,33 г/cm³ |
| Температура плавлення | Близько 1414 °C |
| Температура кипіння | Близько 3265 °C |
| Блиск | Металевий або напівметалевий |
| Колір | Темно-сірий, сталево-сірий або блакитно-сірий |
| Злам | Черепашкуватий; матеріал крихкий |
| Електронна властивість | Напівпровідник, ширина забороненої зони якого за кімнатної температури становить близько 1,12 еВ |
| Laidumo pokytis | Didėja kylant temperatūrai, veikiant šviesai arba įterpus tinkamas priemaišas |
Vienas svarbiausių planetos statybinių elementų, tačiau beveik visada pasislėpęs junginiuose
Kvarcas
Silicio dioksidas SiO₂ sudaro kvarcą, ametistą, citriną, kalnų krištolą ir daugelį kitų kvarco atmainų.
Lauko špatai
Silicio, aliuminio, deguonies ir metalų karkasai sudaro vieną gausiausių Žemės plutos mineralų grupių.
Žėručiai
Silikatiniai lakštai leidžia šiems mineralams lengvai skilti plonomis plokštelėmis.
Molio mineralai
Dūlėjant silikatams susidaro itin smulkios lakštinės dalelės, svarbios dirvožemiui ir nuosėdoms.
Piroksenai ir amfibolai
Jų silikatinės grandinės yra svarbios magmaginėms ir metamorfinėms uolienoms.
Gamtinis silicis
Laisvas elementinis silicis gamtoje labai retas, nes lengvai reaguoja ir tampa oksidais arba silikatais.
Didžiąją Žemės plutos mineralinės architektūros dalį galima suprasti stebint, kaip silicio ir deguonies tetraedrai jungiasi į vis sudėtingesnes formas.
Nuo silicio dioksido uolienoje iki itin grynos medžiagos, kurioje kontroliuojama beveik kiekviena priemaiša
Parenkamas silicio dioksidas
Gamybai naudojamas kvarcas arba labai švarus kvarcinis smėlis.
Silicio dioksidas redukuojamas
Aukštoje temperatūroje elektrinėje krosnyje deguonis pašalinamas naudojant anglies turinčią medžiagą.
Gaunamas metalurginis silicis
Susidaro pilka elementinio silicio masė, dar turinti per daug priemaišų jautriai elektronikai.
Silicis paverčiamas lakiu junginiu
Cheminis tarpinis junginys gali būti distiliuojamas ir atskiriamas nuo daugelio teršalų.
Itin grynas silicis nusodinamas
Iš išgryninto dujinio junginio gaunama labai aukšto grynumo polikristalinė medžiaga.
Medžiaga ruošiama kristalo auginimui
Silicis išlydomas kontroliuojamoje aplinkoje ir naudojamas vienkristaliams arba polikristaliniams ruošiniams formuoti.
Kvarcas gamtoje gali būti beveik skaidrus, tačiau elektronikai reikia ne vien gražios žaliavos. Reikia tokio grynumo, kad net labai menkas nepageidaujamo elemento kiekis nebesugadintų elektrinio elgesio.
Milžiniškas kristalas auginamas taip, kad milijardai atomų tęstų vieną bendrą gardelės kryptį
Nuo lydalo iki plokštelės
Vienkristalis cilindras supjaustomas į labai plonas apskritas plokšteles, vadinamas silicio plokštelėmis. Ant jų vėliau kuriami tranzistoriai, laidininkų takai ir kitos elektroninės struktūros.
Kristalo užuomazga
Mažas tiksliai orientuotas silicio kristalas paliečiamas prie išlydytos medžiagos paviršiaus.
Lėtas traukimas
Užuomazga sukama ir keliama, o prie jos prisijungiantys atomai tęsia tą pačią kristalinę gardelę.
Vienkristalis cilindras
Tinkamai valdant temperatūrą ir traukimo greitį išauga ilgas, vientisos orientacijos kristalas.
Plokštelių pjovimas
Cilindras supjaustomas plonais diskais, kurių paviršius išlyginamas ir poliruojamas.
Кристалографічний напрям
Орієнтацію пластини обирають відповідно до виробничих та електричних властивостей майбутнього пристрою.
Полікристалічний кремній
Коли матеріал складається з великої кількості кристалічних зерен, орієнтованих по-різному, його називають полікристалічним.
Його провідність достатньо добре керується, сировина поширена, а на поверхні можна створити стабільний ізоляційний шар оксиду
Напівпровідникова поведінка
Кремній не є ані добрим металевим провідником, ані повним ізолятором, тому рухом його електронів можна керувати.
Кремній n-типу
Домішки, що мають додатковий валентний електрон, збільшують кількість вільних електронів.
Кремній p-типу
Домішки, що мають на один валентний електрон менше, створюють місця нестачі електронів, які називають дірками.
Транзистори
Електричне поле керує тим, чи протікає струм через мікроскопічний кремнієвий канал.
Сонячні елементи
Світло в кремнії створює рухомі носії заряду, яких внутрішнє електричне поле спрямовує до електричного кола.
Шар діоксиду кремнію
На поверхні кремнію можна виростити міцний ізоляційний шар SiO₂, дуже важливий для виробництва мікросхем.
Кремній став основою технологій не тому, що з якогось одного погляду є досконалим, а тому, що його електричні, хімічні, термічні та виробничі властивості надзвичайно добре поєднуються.
Три схожі за звучанням слова означають абсолютно різні матеріали
Кремній
Хімічний елемент Si. Чистий кристалічний кремній — темно-сірий металоїд і напівпровідник.
Діоксид кремнію
Сполука SiO₂. Вона утворює кварц і є важливою складовою багатьох пісків, стекол та гірських порід.
Силікати
Величезна група мінералів, у яких одиниці кремнію та кисню сполучаються з алюмінієм, магнієм, залізом, кальцієм та іншими елементами.
Силікон
Родина синтетичних полімерів, в основному ланцюзі яких чергуються атоми кремнію та кисню.
Скло
Переважно аморфний матеріал із діоксиду кремнію та інших оксидів, що не має далекого кристалічного порядку.
Карбід кремнію
Сполука SiC, що складається з кремнію та вуглецю і вирізняється високою твердістю та жаростійкістю.
Кремній — не те саме, що силікон. Один є елементом і напівпровідником, а інший — полімерним матеріалом, створеним на основі кремнію, кисню та органічних груп.
Елемент було виділено з матеріалів, які люди використовували тисячі років, але вони довго не знали їхньої справжньої хімічної природи
Назва кремнію пов’язана з латинським словом silex, що означало кремінь або твердий камінь, багатий на кремній.
Люди з найдавніших часів використовували кремінь, кварцовий пісок, глину, кераміку та скло, однак елементарний кремній у цих матеріалах був хімічно зв’язаний.
На початку XIX століття було зрозуміло, що діоксид кремнію містить досі не виділений елемент. У 1824 році Йонс Якоб Берцеліус отримав досить чистий аморфний кремній.
Згодом властивості кристалічного кремнію стали дедалі важливішими для електротехніки, а у XX столітті він став основним матеріалом для транзисторів та інтегральних схем.
Історія кремнію має незвичайну дугу: спочатку він ховався в камені, згодом його виділили в лабораторії, а зрештою він сам став матеріалом, у якому людство почало зберігати й опрацьовувати інформацію.
Кристал, який навчився рахувати
У гірській породі жив кремній. Він утримував ґратку кварцу, каркас польового шпату та листки слюди, але ніхто не бачив його окремо.
Одного дня люди звільнили його від зв’язків із киснем, очистили й розплавили.
«Чим мені стати?» — запитав кремній.
«Спочатку навчися вишикувати всі свої атоми в одному напрямку», — відповів зародок кристала.
Кремній повільно зростав, доки не став суцільним кристалом. Тоді до його ґратки впустили лише кілька чужорідних атомів.
В одному місці з’явився додатковий електрон, а в іншому — порожнє місце для його руху. Між ними почав текти керований сигнал.
Так елемент, який мільярди років будував каміння, навчився рахувати, запам’ятовувати й передавати думки, створені людьми.
Це не давня легенда. Це творча історія, натхненна справжньою кремнієвою ґраткою, домішковою провідністю та роботою мікросхем.
Структура, точний зв’язок і здатність створити з безлічі малих одиниць функціональну систему
У сучасній символічній мові кремній можна пов’язувати з логікою, навчанням, опрацюванням інформації, створенням систем і свідомим формуванням зв’язків. Це творча інтерпретація, а не науково підтверджений вплив на людину.
Чотири зв’язки
Окремий елемент може стати стабільним не через відокремлення, а завдяки точному поєднанню з навколишнім середовищем.
Кристалічний порядок
Невеликі правила, які послідовно повторюються, можуть створити велику й надійну структуру.
Важливість домішок
Невеликий новий елемент іноді не руйнує систему, а надає їй цілком нову функцію.
Напівпровідниковий стан
Не все має бути повністю відкритим або повністю закритим — цінність може полягати в керованому переході.
Сигнал
Інформація стає осмисленою лише тоді, коли має шлях, напрямок і чіткий стан.
Від каменю до думки
Той самий матеріал може виконувати зовсім іншу роль, коли змінюється якість його чистоти, структури та організації.
Ритуал чіткої системи
Ця суха символічна практика призначена для роботи або проєкту, у якому багато окремих деталей, але ще немає чіткої функціональної структури.
Що знадобиться
- одного зразка кремнію;
- аркуша паперу;
- ручки;
- одного складного завдання або проєкту.
Чотири основні зв’язки
Запишіть чотири найважливіші частини проєкту, без яких система не могла б працювати.
Правило ґратки
Поруч із кожною частиною запишіть одне чітке правило, за яким вона має працювати.
Шлях сигналу
Накресліть, як інформація, рішення або матеріал переміщується з однієї частини до іншої.
Корисна домішка
Назвіть одну малу зміну, яка могла б надати системі нову функцію або усунути найбільшу перешкоду.
Замовляння
Покладіть силіцій у центр аркуша й тричі промовте:
Бачу зв’язки, створюю лад,
систему з’єдную малими одиницями.
Завершення
Скажіть: «Мені не потрібно створювати все одночасно. Достатньо точно поєднати наступну найважливішу частину.»
Поширені запитання про силіцій
Що таке силіцій?
Силіцій — це метал?
Силіцій — це мінерал?
Яка кристалічна структура силіцію?
Яка твердість силіцію?
Чому силіцій є напівпровідником?
Що таке силіцій n- і p-типу?
Силіцій і діоксид силіцію — це те саме?
Силіцій і силікон — це те саме?
Що символізує силіцій у сучасній уяві?
Силіцій показує, як одна й та сама атомна властивість може створювати гори, прозорий кварц, сонячні елементи та мікроскопічні логічні вентилі
У природі силіцій майже завжди існує у сполуках із киснем та іншими елементами, утворюючи величезне різноманіття силікатних мінералів.
У промисловості його вивільняють із діоксиду силіцію, очищують і вирощують у вигляді впорядкованих монокристалів.
Якщо додати дуже малу кількість потрібних домішок, у ґратці з’являються додаткові електрони або дірки, а електричний сигнал стає керованим.
У хімії силіцій — чотирнадцятий елемент. Символічною мовою він може нагадувати, що складні системи не обов’язково виникають завдяки одному великому рішенню — вони з’являються тоді, коли безліч малих зв’язків розташовано настільки точно, що вони починають діяти як одна думка.