Pogled na polumjelovni silicijum
Silikonski metali su sivi i sjajni poluprovodljivi metali koji se koriste za proizvodnju čelika, solarnih ćelija i mikročipa.
Silikon je drugi najomiljeniji element u zemaljskoj koriti (iza samo kiseonika) i osmi najčešći element u svemiru. U stvari, skoro 30 procenata težine zemaljske korice može se pripisati silicijumu.
Element sa atomskim brojem 14 prirodno se javlja u silikatnim minerali, uključujući silicijum, feldspar i sljunak, koji su glavne komponente čestih stena kao što su kvarc i peščar.
Polu-metal (ili metaloid ), silicijum poseduje neka svojstva metala i ne-metala.
Kao voda - ali za razliku od većine metala - silikonski ugovori u svojoj tečnoj državi i širi se dok se očvršćava. Ima relativno visoke tačke topljenja i ključanja, a kada se kristalizuje formira kristalna struktura dijamanta.
Kritična uloga silikona kao poluprovodnika i njegova upotreba u elektronici je atomska struktura elementa, koja uključuje četiri valentna elektrona koji omogućavaju silicijum da se lako povezuju sa ostalim elementima.
Nekretnine:
- Atomski simbol: Si
- Atomski broj: 14
- Element Kategorija: Metalloid
- Gustina: 2.329 g / cm3
- Tačka topljenja: 2577 ° F (1414 ° C)
- Tačka ključanja: 5909 ° F (3265 ° C)
- Tvrdoća Moha: 7
Istorija:
Švedski hemičar Jons Jacob Berzerlius dobija prvu izolaciju silikona 1823. godine. Berzerlius je to postigao zagrevanjem metalnog kalijuma (koji je izolovan samo deceniju ranije) u loncu zajedno sa kalijum fluorosilikatom.
Rezultat je bio amorfni silicijum.
Međutim, pravljenje kristalnog silikona zahteva više vremena. Elektrolitički uzorak kristalnog silicijuma ne bi bio napravljen još tri decenije.
Prva komercijalizovana upotreba silicija je bila u vidu ferosilicija.
Nakon modernizacije Henry Bessemer-a za industriju čelika u srednjem 19. stoljeću, bilo je veliko interesovanje za čeličnu metalurgiju i istraživanje u tehnikama čelika.
Do prve industrijske proizvodnje ferosilicija u 1880. godini, važnost silicijuma u poboljšanju duktilnosti kod sirovog gvožđa i deoksidacionog čelika je bila prilično dobro shvaćena.
Rana proizvodnja ferosilicija je urađena u visokim pećima smanjenjem rude sa silicijumom sa ugljem, što je rezultiralo srebrnim svinjskim gvoždom, ferosilikom sa do 20 procenata silicijumskog sadržaja.
Razvoj elektrolučne peći početkom 20. veka omogućio je ne samo veću proizvodnju čelika , već i proizvodnju ferosilicija.
1903. godine grupa koja se bavi proizvodnjom ferrolida (Compagnie Generate d'Electrochimie) započela je sa radom u Nemačkoj, Francuskoj i Austriji, a 1907. godine osnovana je prva komercijalna fabrika silicija u SAD-u.
Čeličenje nije jedina aplikacija za silikonska jedinjenja komercijalizovana pre kraja 19. vijeka.
Da bi proizveli veštačke dijamante 1890. godine, Edward Goodrich Acheson zagrijao je aluminijum silikat sa prahom koksa i slučajno proizveo silicijum karbid (SiC).
Tri godine kasnije Acheson je patentirao svoj proizvodni metod i osnovao Carborundum Company (karborundum je uobičajeno ime za silicijum karbid u to vrijeme) u svrhu izrade i prodaje abrazivnih proizvoda.
Do početka 20. veka realizovane su i provodne osobine silicijum karbida, a jedinjenje je korišteno kao detektor kod ranih brodskih radija. Patent za detektore silikonskih kristala dodeljen je GW Pickard 1906. godine.
1907. godine, prva dioda (LED) emitovana od svetlosti stvorena je primenom napona na silikonski karbidni kristal.
Tokom 1930-ih upotreba silikona raste sa razvojem novih hemijskih proizvoda, uključujući silane i silikone.
Rast elektronike u proteklom veku takođe je neizostavno povezan s silicijumom i njegovim jedinstvenim svojstvima.
Iako je stvaranje prvih tranzistora - prekursora savremenih mikročipova - u 1940-im se oslanjala na germanijum , to nije bilo dugo pre nego što je silicij zamenio svoj metaloidni rođak kao izdržljiviji poluprovodnički materijal podloge.
Bell Labs i Texas Instruments su započeli komercijalno proizvodnju tranzistora zasnovanih na silikonu 1954.
Prvo silikonsko integrisano kolo napravljeno je u 1960-im godinama, a do sedamdesetih godina razvijani su procesori koji sadrže silicijum.
S obzirom na to da poluprovodnička tehnologija zasnovana na silikonima čini okosnicu savremene elektronike i računarstva, ne bi trebalo biti iznenađenje da se pozivamo na centar aktivnosti za ovu industriju kao "Silicijumsku dolinu".
(Za detaljan pogled na istoriju i razvoj Silikonske doline i mikročipove tehnologije ja visoko preporučujem dokumentarni film American Experience pod nazivom Silicijumska dolina).
Nedugo nakon otkrivanja prvih tranzistora, rad Bell Labs-a s silikonom dovodi do drugog velikog probijanja 1954. godine: Prve silikonske fotonaponske (solarne) ćelije.
Pre toga, većina verovalo da je nemoguća razmišljanje o iskorištavanju energije od sunca da bi se stvorila moć na zemlji. Međutim, samo četiri godine kasnije, 1958. godine, prvi satelit s pogonom na silicijumske solarne ćelije kružio je oko Zemlje.
Do sedamdesetih godina prošlog veka, komercijalne aplikacije za solarne tehnologije su porasle u zemaljske primjene, kao što su osvetljenje naftnih plovnih objekata i željezničkih prelaza.
Tokom protekle dve decenije, upotreba solarne energije je eksponencijalno porasla. Danas, fotonaponske tehnologije zasnovane na silikonima čine oko 90 procenata globalnog tržišta solarne energije.
Produkcija:
Većina silicijuma rafinisanih svake godine - oko 80% - proizvodi se kao ferosilikon za upotrebu u proizvodnji gvožđa i čelika . Ferrosilikon može sadržavati između 15 i 90 procenata silicija u zavisnosti od zahteva topionice.
Legura gvožđa i silicijuma se proizvodi pomoću potopljene električne ložne peći pomoću redukcijskog taljenja. Bogata ruda od silikata i izvor ugljenika, kao što je koksni premak (metalurgijski ugalj), se sruši i napuni u peć zajedno sa otpadnim gvoždjem.
Na temperaturama iznad 1900 ° C (3450 ° F), ugljenik reaguje sa prisutnim kiseonikom u rudu, formirajući gas ugljen monoksida. Preostalo gvožđe i silicijum, u međuvremenu, zatim se kombinuju za stvaranje rastopljenog ferosilicija, koji se može sakupljati pritiskom na bazu peći.
Kada se ohladi i učvrsti, ferosilikon se zatim može isporučiti i koristiti direktno u proizvodnji gvožđa i čelika.
Isti metod, bez uključivanja gvožđa, koristi se za proizvodnju metalurškog silicijuma koji je veći od 99 posto čist. Metalurški silicijum se takođe koristi u čeličnom topionizovanju, kao i proizvodnju legura legura aluminijuma i silanskih hemikalija.
Metalurški silicijum je klasifikovan po nečijim nivoima gvožđa, aluminijuma i kalcijuma koji su prisutni u leguri. Na primjer, 553 silicijumskog metala sadrži manje od 0,5% svake gvožđe i aluminijuma, a manje od 0,3% kalcijuma.
Oko 8 miliona metričkih tona ferosilicija se proizvodi svake godine na globalnom nivou, dok Kina ima oko 70% od ukupnog broja. Veliki proizvođači uključuju Erdos metalurgiju, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials i Elkem.
Godišnje se proizvodi dodatnih 2,6 miliona metričkih tona metalurškog silicijuma - ili oko 20% ukupnog rafiniranog silicijumskog metala. Kina, opet, čini oko 80 posto ovog rezultata.
Za mnoge je iznenađenje što solarni i elektronski modeli silikona čine samo malo količinu (manje od dva procenta) sve rafinisane proizvodnje silicija.
Za nadogradnju na silicijumski metal iz polimera (polisilikon), čistoća se mora povećati na čistiji silicij od 99,9999% (6N). Ovo se radi putem jednog od tri metoda, a najčešći je proces Siemens.
Proces Siemensa podrazumeva hemijsko isparavanje isparljivog gasa poznatog kao trihlorsilan. Na 1150 ° C (2102 ° F) trichlorosilane se puni preko semena visoke čistoće silicijuma postavljeno na kraju šipke. Tokom prolaska, silikon visoke čistoće iz gasa se deponuje na seme.
Reaktor fluidnog sloja (FBR) i poboljšana silikonska tehnologija metalurgije (UMG) koriste se i za poboljšanje metala do polisilicija pogodnog za fotonaponsku industriju.
U 2013. proizvedeno je 230.000 metričkih tona polisilicija. Vodeći proizvođači uključuju GCL Poly, Wacker-Chemie i OCI.
Konačno, kako bi se proizvela silikon za elektroniku koji odgovara industriji poluprovodnika i određenim fotonaponskim tehnologijama, polisilikon mora biti konvertovan u ultra čist čistinski monokristalni proces preko Czochralskog procesa.
Da bi se to uradilo, polisilikon se rastvori u žaru na 1425 ° C (2597 ° F) u inertnoj atmosferi. Zatvoreni semenski kristal se potopi u staljeni metal i polako rotira i uklanja, dajući vrijeme silicijumu da raste na sjemenskom materijalu.
Dobijeni proizvod je štapić (ili boule) od jedinstvenog kristalnog silicijumskog metala koji može biti visok kao 99.999999999 (11N) procenta čista. Ovaj štap se može dopuniti borom ili fosforom kako je potrebno kako bi se podesile kvantne mehaničke osobine po potrebi.
Monokristalni štap se može isporučiti klijentima, kao što je ili je rezano na oblake, a polirani ili teksturirani za određene korisnike.
Aplikacije:
Dok približno deset miliona metričkih tona ferosilicija i silikonskog metala budu rafinisane svake godine, većina silicijuma koji se koristi komercijalno je zapravo u obliku silicijumskih minerala, koji se koriste u proizvodnji svega od cementa, maltera i keramike, do stakla i polimeri.
Ferrosilikon, kao što je navedeno, najčešće se koristi u metalnom silicijumu. Od prve upotrebe pre oko 150 godina, ferosilikon je ostao važan sredstvo za deoksidaciju u proizvodnji ugljenika i nerđajućeg čelika . Danas je topljenje čelika i dalje najveći potrošač ferosilicija.
Ferrosilikon, međutim, ima više upotreba osim proizvodnje čelika. To je pred-legura u proizvodnji magnezijumskog ferosilicija, nodulizatora koji se koristi za proizvodnju duktilnog gvožđa, kao i tokom procesa Pidgeona za prečišćavanje magnezijuma visoke čistoće.
Ferrosilikon se takođe može koristiti za proizvodnju legura željeznih silicija kao i silikonskog čelika, otpornog na toplotu i koroziju , koji se koristi u proizvodnji elektromotora i transformatorskih jezgara.
Metalurški silicijum se može koristiti u proizvodnji čelika kao i legura u livenju aluminijuma. Aluminijum-silikonski (Al-Si) dijelovi automobila su lagani i jači od komponenata livenog od čiste aluminijuma. Automobilski dijelovi kao što su blokovi motora i felne gume su neki od najčešće livenih silikonskih dijelova aluminijuma.
Skoro polovinu metalurškog silicijuma koristi hemijska industrija za proizvodnju drobljenog silika (sredstvo za zgušnjavanje i desikant), silana (spojno sredstvo) i silikona (zaptivna sredstva, lepkovi i maziva).
Polisilikonski fotonaponski razred se primarno koristi u izradi polisilicon solarnih ćelija. Potrebno je oko 5 tona polisilicija za proizvodnju jednog megavata solarnih modula.
Trenutno, polisilikonska solarna tehnologija čini više od polovine solarne energije proizvedene na globalnom nivou, a monosilicon tehnologija doprinosi oko 35 procenata. Ukupno 90 odsto solarne energije koju koriste ljudi prikupljaju se silicijumskom tehnologijom.
Monokristalni silicijum je takođe kritičan poluprovodnički materijal pronađen u modernoj elektronici. Kao supstratni materijal koji se koristi u proizvodnji tranzistora na terenu (Field FETs), LED i integriranih kola, silicijum se može naći na skoro svim računarima, mobilnim telefonima, tablama, televizorima, radio-aparatima i drugim savremenim komunikacionim uređajima.
Procenjuje se da više od jedne trećine svih elektronskih uređaja sadrži poluprovodničke tehnologije zasnovane na silikonima.
Najzad, silicijum karbid tvrdih legura se koristi u raznim elektronskim i ne-elektroničkim aplikacijama, uključujući sintetički nakit, poluprovodnike visokih temperatura, tvrdu keramiku, alate za rezanje, diskove kočnice, abrazive, zaštitne prsluke i grejne elemente.
Izvori:
Kratka istorija proizvodnje legura čelika i ferolegura.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri i Seppo Louhenkilpi. -
O ulozi feroeluja u proizvodnji čelika. 9. i 13. juni 2013. Trinaesti međunarodni kongres ferorodova. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Pratite Terence na Google+