Silīcijs (Si) — īpašības, sastopamība un izmantošana elektronikā

Silīcijs periodiskajā tabulā ir 14. elements. Tā simbols ir Si.

Silīcijs izskatās kā metāls, taču tas nedara visu, ko metāls, piemēram, ļoti viegli vada elektrību. Tas ir metaloīds. Mūsdienu datoros un praktiski visās elektroniskajās ierīcēs silīciju izmanto ļoti daudz. Datoros var izmantot arī germāniju, taču silīciju ir vieglāk atrast.

Uz Zemes ir daudz silīcija. Pludmalē silīcijs ir smilšu veidā. Smiltis ir silīcija savienojums, ko sauc par silīcija dioksīdu jeb silīcija dioksīdu. Stikls tiek izgatavots, pietiekami karsti karsējot smiltis (vai silīcija dioksīdu). Stiklam var piešķirt dažādas krāsas, pievienojot krāsvielu savienojumus. Silīcijs veido arī daudz dažādu iežu un minerālu, un tos sauc par silikātiem.

Fizikālās un elektroniskās īpašības

Silīcijs ir ciets, pelēkzils kristāliskais metaloīds ar blīvumu aptuveni 2,33 g/cm³. Tā atommasa ir apmēram 28,085 u, elektronkonfigurācija [Ne]3s2 3p2, un kristālstruktūra ir dimanta tīkla tipa (diamond cubic). Silīcija izkausēšanās temperatūra ir ap 1414 °C, viršanas temperatūra ap 2900 °C.

Kā pusvadītājs silīcijam ir tiešais enerģijas joslas platums ap 1,12 eV (pie 300 K) — tas padara to par ļoti piemērotu materiālu elektronikai un fotovoltaikai. Silīcija vadītspēju var būtiski mainīt ar piemaisījumu ieviešanu jeb doping (piemēram, fosfors vai arsēns — n-tips; borons — p-tips).

Ķīmiskās īpašības

Elementārais silīcijs ir salīdzinoši ķīmiski mazreaktīvs istabas temperatūrā, taču augstākās temperatūrās tas reaģē ar skābekli, veidojot silīcija dioksīdu (SiO2). Silīcijs reaģē arī ar halogēniem un dažām skābēm un alkālijām. Dabā silīcijs reti sastopams brīvā veidā — tas parasti atrodas oksīdos un silikātos.

Sastopamība un ieguve

Silīcijs ir otrais visizplatītākais elements Zemes garozā pēc skābekļa un veido aptuveni 28% no tās masas. To galvenokārt iegūst no kvarca (silīcija dioksīda) un silikātiem. Rūpnieciskai vajadzībai ražo polikristālisko polisilīciju, kurš pēc tam tiek pārstrādāts monokristāliskos ingotos, izmantojot tādas metodes kā Czochralski (CZ) vai pludiņzona (float-zone) procesi.

Ražošana un tīrība elektronikai

Elektronikai piemērots silīcijs jāiegūst ļoti augstā tīrībā (ļoti zems piesārņojumu līmenis — “1 nines” līdz “12 nines”, atkarībā no prasībām). Parasti sāk ar polikristālisko polisilīciju, kuru tīrina un pēc tam izaug monokristālisko stieni (ingotu). No tā tiek grieztas puses (wafers), uz kurām tālāk veido integrētās shēmas, transceptorus un citus mikroierīču slāņus.

Lietojumi elektronikā

Silīcijs ir elektronikas pamatakmens. Galvenie pielietojumi:

• Integrētās shēmas (IC) un mikroprocesori: monokristāla silīcija wafers ir platforma, uz kuras tiek ierakstīti tranzistori, rezistori un citi komponenti.
• MOSFET un CMOS tehnoloģija: silīcija oksīds (SiO2) darbojas kā dielektriskais slānis MOS struktūrās, kas ir pamats mūsdienu mikroelektronikai.
• Saules baterijas (fotovoltaika): gan monokristāliskie, gan polikristāliskie silīcija saules elementi dominē tirgū, jo Silīcijs absorbē saules gaismu un ražo elektrību efektīvi un salīdzinoši lēti.
• Sensors un MEMS: silīcijs ir izplatīts materiāls mikroelektromehāniskajās sistēmās (MEMS), piemēram, akselerometros, žiroskopos un spiediena sensoros.

Citas lietojumu jomas

Bez elektronikas silīcijs un tā savienojumi izmantojami stikla, betona un ķieģeļu ražošanā, kā arī keramiskos materiālos. No organiskā silīcija tiek gatavotas silikoni — elastīgi polimēri, kas plaši izmantoti medicīnas, kosmētikas, hermētiķu un izolācijas produktos.

Vide un drošība

Elememtārais silīcijs nav toksisks, taču silīcija dioksīda putekļi (kvarca putekļi) ir bīstami, jo ieelpojot var izraisīt silikozes — nopietnu plaušu slimību. Tāpēc rūpnieciski strādājot ar smalku silīcija putekļu vai šķembas, nepieciešama atbilstoša aizsargaprīkojuma izmantošana un putekļu kontrole.

Vēsture un nosaukums

Silīcija nosaukums cēlies no latīņu vārda silex vai silicis, kas nozīmē "ķieģelis, akmens, opuks". Elementu atzina un izolēja 19. gadsimtā; tā loma tehnoloģijā kļuva izšķiroša 20. gadsimtā ar pusvadītāju un mikroelektronikas attīstību.

Silīcijs ir universāls un nenovēršams materiāls mūsdienu tehnoloģijās — no vienkāršas smiltis pludmalē līdz mikroprocesoru sirdīm un saules paneļiem, kas ražo elektrību no saules starojuma.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir silīcijs?

J: Kāds ir silīcija atomu skaits?

J: Kāds ir silīcija simbols?

J: Vai silīcijs labi vada elektrību?

J: Kur parasti izmanto silīciju?

J: No kā sastāv silīcijs?

J: Kas ir silikāti?

Meklēt pēc burta