Silicis (Si) — cheminis elementas: savybės ir panaudojimas elektronikoje
Silicis (Si) — metaloidas ir pagrindinis puslaidininkis: savybės, kilmė iš smėlio (silicio dioksidas) ir svarbiausias panaudojimas elektronikoje bei kompiuteriuose.
Silicis yra cheminis elementas with atomic number 14; jo simbolis yra Si. Silicis priklauso anglies grupei (14 grupė) periodinėje lentelėje ir turi 14 protonų branduolyje. Jis dažnai apibūdinamas kaip metaloidas — išoriškai primena metalą, bet turi savybių, būdingų puslaidininkiams: nėra taip gerai laidus elektros srove kaip metalai, bet laidumas gali būti gerokai pakeičiamas cheminiu priemaišų dopingu. Elemento izoliacija ir laidumas priklauso nuo temperatūros ir priemaišų kiekio; gryno silicio energijos juostos (band gap) dydis kambario temperatūroje yra apie 1,12 eV.
Fizinės ir cheminės savybės
- Atominis numeris: 14.
- Atominė masė: apie 28,085 u.
- Kristalografinė struktūra: deimanto tipo kubinė (diamond cubic).
- Fizinė būsena: kietas, blizgantis, pilkai sidabrinis, trapus kristalinis medžiagos pavidalas.
- Lydymosi temperatūra: apie 1414 °C; virimo temperatūra: apie 3265 °C.
- Elektroninės savybės: puslaidininkis; jo laidumas gali būti reguliuojamas dopingu (pvz., boro, fosforo, arseniko priemaišomis), leidžiančiu gaminti n- ir p-tipo medžiagas.
- Cheminis aktyvumas: grynas silicis yra gana stabilus, paviršiuje formuojasi plonas silicio dioksido (SiO2) sluoksnis, kuris yra svarbus elektronikoje kaip izoliatorius.
Kur randamas ir kaip gaunamas
Žemės plutoje silicio yra vienas gausiausių elementų — dažnai jis randamas mineralų ir uolienų pavidalu kaip silicio dioksidas (SiO2) ir kaip įvairūs silikatai. Paplūdimiuose daugelis smėlio grūdelių yra būtent kvarcinis smėlis (SiO2). Kaip rašyta anksčiau, Žemėje silicio yra labai daug, todėl jis yra pigesnis ir prieinamesnis už kitas puslaidininkių medžiagas, pavyzdžiui, germanį.
Pramonėje elektrinis arba karboterminiais procesais išgaunamas techninis (metalinio) silicio rūšys naudojamos mišiniuose ir statyboje. Elektronikai reikalingas itin grynas silicis — „elektroninės klasės“ arba „puslaidininkinis“ silicis — gaminamas naudojant tokias technologijas kaip Czochralski kristalizacija (CZ) arba plaukimo zonos (float-zone, FZ) metodas, išaugant monokristalinius waferius (plokšteles).
Panaudojimas elektronikoje
Silicis yra pagrindinė medžiaga šiuolaikinėje mikroelektronikoje dėl šių priežasčių:
- Integriniai grandynai (mikroprocesoriai ir atmintys): monokristaliniai silicio waferiai yra pamatinė platforma, ant kurios gaminami tranzistoriai, diodai ir visos logikos grandinės.
- Dopingas: kontroliuojant boro, fosforo ar arseniko kiekį, susidaro p- ir n-tipo regionai, iš kurių sudaromi p–n sankryžos, MOSFET tranzistoriai ir kiti puslaidininkiniai elementai.
- Izoliatoriai ir dielektrikai: natūralus silicio dioksido (SiO2) sluoksnis naudojamas kaip izoliatorius ir kaip geras vartų dielektrikas MOS struktūrose; nors naujesnėse technologijose dalinai pakeičiamas aukšto dielektrinio skaičiaus (high-k) medžiagomis, SiO2 vis dar svarbus.
- Saulės elementai (fotovoltiniai moduliai): kristalinis silicis — tiek monokristalinis, tiek polikristalinis — dominuoja saulės baterijų rinkoje dėl geros atsparos ir efektyvumo santykio.
- MEMS technologijos: silicis naudojamas judančių mikrokomponentų (jutikliai, aktoriukai) gamyboje, nes jį galima tiksliai apdirbti (mikromašinų gamyba).
Kiti svarbūs panaudojimai
Be elektronikos, silicis ir jo junginiai plačiai naudojami kasdienėje pramonėje:
- Smėlis (kvarcas) — pagrindinė statybų pramonės žaliava, cemento ir betono komponentas.
- Stiklas gaminamas ištirpinant ir perkaitinant silicio dioksidą; pridedant spalvotus metalų junginius gaunamos įvairios stiklo spalvos.
- Silikonai (polimerai su Si–O ryšiais) naudojami hermetikams, tepimo medžiagoms, medicininiams implantams ir kt.
- Silicio gelis — drėgmę sugerianti medžiaga (desikantas).
Saugumas ir aplinka
Elementalus silicis paprastai yra mažai toksiškas, tačiau kvėpuojamos smulkios dalelės silicio dioksido (ypač amorfinio arba kristalinio kvapo — kvarcinio smėlio dulkių) gali sukelti plaučių ligas (silikozę). Elektronikos pramonėje, apdorojant ir purškiant chemines medžiagas, būtinos tinkamos apsaugos priemonės ir atliekų tvarkymo procedūros.
Apibendrinant, silicis (Si) yra universali ir gyvybiškai svarbi medžiaga — nuo paprasto smėlio ir stiklo iki sudėtingų mikroprocesorių ir saulės elementų. Dėl savo fizinių savybių ir gausumo jis išlieka kertine medžiaga šiuolaikinėje technologinėje visuomenėje.
Smulkūs silicio grūdeliai, nes jis buvo susmulkintas. Tai nėra kompiuteriuose naudojamas silicis.
Plonas didelio silicio kristalo pjūvis, kuris yra labai lygus. Tokio tipo silicis gali būti naudojamas kompiuteriuose, nes yra labai grynas.
Silicis kompiuteriuose
Silicis yra puslaidininkis, plačiai naudojamas kompiuteriuose. Dabar itin gryną silicio izotopą - silicį-28 - galima pagaminti 40 kartų grynesnį nei anksčiau. Jis labai svarbus kitam dideliam kompiuterių vystymuisi. Čia "kubitai" saugomi kito elemento, pavyzdžiui, fosforo, atomuose, įterptuose į mažytį itin gryno silicio-28 sluoksnį. Šiuose kubituose vienu metu galima užkoduoti ir vienetą, ir nulį, kad būtų galima atlikti neįtikėtinai greitus ir sudėtingus skaičiavimus.
Susiję puslapiai
- Bendrųjų elementų sąrašas
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra silicis?
A: Silicis yra cheminis elementas, tetravalentinis metaloidas ir puslaidininkis.
K: Koks silicio atominis numeris?
A: Silicio atominis numeris periodinėje lentelėje yra 14.
K: Koks yra silicio simbolis?
A: Silicio simbolis yra Si.
K: Ar silicis gerai praleidžia elektrą?
A: Ne, silicis negali gerai praleisti elektros srovės.
K: Kur dažniausiai naudojamas silicis?
A: Silicis dažniausiai naudojamas šiuolaikiniuose kompiuteriuose ir beveik visuose kituose elektroniniuose prietaisuose.
K: Iš ko sudarytas silicio dioksidas?
A: Silicio dioksidas yra sudarytas iš mažų silicio dioksido kubelių, kurių yra paplūdimio smėlyje.
K: Kas yra silikatai?
A: Silikatai - tai silicio ir deguonies junginiai, sudarantys daugelį uolienų ir mineralų.
Ieškoti