Silicij – lastnosti, uporaba in pomen v elektroniki in naravi

Silicij je element 14 v periodnem sistemu. Njegov simbol je Si. Atomska masa silicija je približno 28,09 u, atomsko število 14, kristalna struktura pri sobni temperaturi pa je podobna diamantni (tako imenovana diamantna kubična struktura). Silicij je trden, krhek in ima srebrno-siv lesk.

Lastnosti

Silicij je videti kot kovina, vendar ne počne vsega, kar počne kovina, na primer ne prevaja zlahka elektrike. Je metaloid z lastnostmi med kovinami in nekovinskimi elementi. Nekatere pomembne fizikalne in kemijske lastnosti:

• Polprevodniške lastnosti: pri 300 K ima silicij pasovno režo (indirektni prepovedani pas) približno 1,12 eV, zaradi česar je ključni material v elektroniki in fotovoltaiki.
• Toplotne in električne lastnosti: električna upornost silicija pada z naraščajočo koncentracijo nečistoč (dopinga) in z višjo temperaturo; toplo prevaja toploto razmeroma dobro (toplotna prevodnost okoli 149 W/m·K za kristalinični Si).
• Fizikalne lastnosti: tališče približno 1414 °C, vrelišče okoli 3265 °C in gostota približno 2,33 g/cm³.
• Kemične lastnosti: tvori stabilne okside (najpogostejši je silicijev dioksid, SiO2), reagira s halogeni in tvori različne spojine (npr. silani, silikoni). Na površini kristaliničnega silicija se spontano tvori tanken sloj silicijevega dioksida, ki je pomemben za zaščito in pasivacijo v mikroelektroniki.

Kje ga najdemo v naravi

Na Zemlji je veliko silicija; dejansko je drugi ali tretji najpogostejši element v zemeljski skorji (odvisno od štetja) in predstavlja približno 25–28 % mase skorje. Na plaži je silicij v obliki peska. Pesek je pogosto sestavljen iz silicijevega oksida, pogosto v obliki kvarca.

Silicij v naravi najdemo predvsem kot silikati (minerali, ki vsebujejo kisik in silicij), kot so živec (feldspat), glineni minerali in druge kamnine. Pesek je spojina silicija, znana kot silicijev dioksid ali silicijev dioksid. Steklo naredimo tako, da pesek (ali silicijev dioksid) segrejemo na dovolj visoko temperaturo. Steklo je lahko različnih barv, če mu dodamo barvne spojine. Silicij sestavlja tudi veliko različnih kamnin in mineralov, ki jih imenujemo silikati.

V živih organizmih ima silicij tudi vlogo: nekateri rastlinski organizmi in mikroorganizmi (npr. diatomeje) uporabljajo raztopni obliki silicija za gradnjo trdih struktur (npr. okostij). Vendar pa silicij ni esencialen element za ljudi kot npr. ogljik ali železo.

Pridobivanje in rafinacija

Osnovna surovina je kremenčev pesek (SiO2). Za izdelavo tehničnega (metallurgical) silicija se SiO2 v električnih pečeh reducirajo z ogljem (npr. koksom) in dobimo grobo silicij. Za uporabo v elektroniki in fotovoltaiki mora biti silicij zelo čist:

• Czochralskijeva tehnika in float-zone proces: uporabljata se za vzgojo monokristalnih ingotov visokega čistoče, iz katerih se nato režejo waferji za integrirana vezja in sončne celice.
• Siemensov proces in druge kemične metode: uporabljajo se za sintezo visokočistega plynnega prekurzorja (npr. ogledala iz klorosilanov) in pridobivanje elektronskega silicija (99,9999 % in več).

Uporaba v elektroniki

Silicij se veliko uporablja v današnjih računalnikih in skoraj vseh elektronskih napravah. V računalnikih se lahko uporablja tudi germanij, vendar je silicij lažje najti ter ima ugodnejše lastnosti za hitro integracijo in termično stabilnost. Glavne aplikacije v elektroniki:

• Integrirana vezja (IC): vrata, procesorji in pomnilniški čipi so izdelani iz silicijevih waferjev s postopki mikrolitografije.
• MOSFET in tranzistorji: silicij je osnova za večino sodobnih MOS (metal-oxide-semiconductor) naprav; oksidna plast SiO2 je ključna izolacijska plast v MOS tehnologiji.
• Fotovoltaika: kristalinični in amorfni silicij se uporabljata za izdelavo sončnih celic, kjer silicij pretvarja sončno svetlobo v elektriko.
• Silicij za visoko moč in frekvence: napredni materiali kot sta silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN) dopolnjujejo silicij v napravah za visoko moč in visoko temperaturo, vendar silicij ostaja prevladujoč material za manj zahtevne aplikacije.

Druge pomembne uporabe

• Steklo in keramika: SiO2 in silikati so osnova za steklo, gradbeni material (cement, keramika) in lončarske izdelke.
• Silikoni: kemični derivati silicija (polimeri siloksani), poznani kot silikoni, se uporabljajo v tesnilnih masah, mazivih, medicinskih vsadkih, kozmetiki in kot izolacijski materiali. To niso kovinski silicij, temveč organsko‑neorganske spojine, ki vsebujejo Si–O vezi.
• Industrijske keramike in brusni materiali: silicijev karbid (SiC) se uporablja kot abraziv in kot material v visokotemperaturnih keramikah; silicijev nitrid (Si3N4) je izjemno trden keramični material za ležaje in rezalne pripomočke.
• Kemijska industrija: silikati se uporabljajo v barvah, lepilih, čistilih in kot aditivi v različnih proizvodih.

Okolje, varnost in recikliranje

Elementarni silicij sam po sebi ni močno strupen, vendar lahko v obliki kristaliničnega silicijevega dioksida (respirablega kremenčevega prahu) povzroči resne bolezni dihal, kot je silikoza. Pri industrijskem delu s prahom silicija so pomembni ukrepi zaščite dihal.

Sončne celice in elektronske komponente vsebujejo dragocen silicij; recikliranje waferjev in fotonapetostnih modulov postaja vse pomembnejše zaradi omejenih virov in okoljskih zahtev. Hitra miniaturizacija in kompleksnost komponent pa predstavljata izziv za učinkovito recikliranje.

Prihodnost

Silicij bo verjetno ostal temeljna surovina za mikroelektroniko še dolgo, a se razvijajo tudi dopolnilne tehnologije (npr. silicijeva fotonika, 3D integracija, materiali kot SiC in GaN). Zmanjševanje dimenzij tranzistorjev, nove metode proizvodnje in potrebe po visokotermičnih in visokofrekvenčnih napravah usmerjajo raziskave v kombinacijo silicija z drugimi materiali in v nove arhitekture naprav.

Na kratko: silicij je vsestranski element, katerega edinstvene polprevodniške, kemične in strukturne lastnosti ga naredijo nepogrešljivega v elektroniki, gradbeništvu, kemijski industriji in v številnih vsakdanjih izdelkih — hkrati pa zahteva previdnost pri ravnanju s prahom in premišljeno ravnanje z odpadki.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je silicij?

V: Kakšno je atomsko število silicija?

V: Kakšen je simbol za silicij?

V: Ali lahko silicij dobro prevaja elektriko?

V: Kje se običajno uporablja silicij?

V: Iz česa je narejen silicij?

V: Kaj so silikati?

Išči po črki