Поглед на полумјеловни силицијум
Метал силицијум је сиви и сјајни полупроводни метал који се користи за производњу челика, соларних ћелија и микрочипа.
Силицијум је други најомиљенији елемент у земаљској кори (иза само кисеоника) и осми најчешћи елемент у свемиру. У ствари, скоро 30 процената тежине земаљске корице може се приписати силицијуму.
Елемент са атомским бројем 14 природно се јавља у силикатним минерали, укључујући силицијум, фелдспар и сљуну, који су главне компоненте обичних стена као што су кварц и пешчар.
Полу-метални (или металоидни ) силицијум поседује нека својства метала и не-метала.
Као вода - али за разлику од већине метала - силиконски уговори у њеном течном стању и шири се док се очвршћава. Има релативно високе тачке топљења и кључања, а када се кристализује формира кристална структура дијаманта.
Критична улога силикона као полупроводника и његова употреба у електроници је атомска структура елемента, која укључује четири валентна електрона који омогућавају силицијум да се лако повезују са осталим елементима.
Некретнине:
- Атомски симбол: Си
- Атомски број: 14
- Елемент Категорија: Металоид
- Густина: 2.329г / цм3
- Тачка топљења: 2577 ° Ф (1414 ° Ц)
- Тачка кључања: 5909 ° Ф (3265 ° Ц)
- Тврдоћа Моха: 7
Историја:
Шведски хемичар Јонс Јацоб Берзерлиус добија прву изолацију силикона 1823. године. Берзерлиус је то постигао загревањем металног калијума (који је изолован тек десет година раније) у лонцу заједно са калијум флуоросиликатом.
Резултат је био аморфни силицијум.
Међутим, израда кристалног силикона захтева више времена. Електролитички узорак кристалног силицијума не би био направљен још три деценије.
Прва комерцијализована употреба силицијума била је у облику феросилиција.
Након модернизације индустрије челика у Хенри Бессемеру средином 19. века, било је велико интересовање за челичну металургију и истраживање у техникама челика.
До прве индустријске производње феросилиција у 1880. години, важност силицијума у побољшању дуктилности код сировог гвожђа и растворљивог челика је прилично добро схваћена.
Рана производња феросилиција је урађена у високим пећима смањењем руде са силицијумом са угљем, што је резултирало сребровим гвождом, феросиликом са до 20 процената силицијумског садржаја.
Развој електричних пећи на почетку 20. века омогућио је не само већу производњу челика , већ и производњу феросилиција.
1903. године група која се бави производњом ферролида (Цомпагние Генерате д'Елецтроцхимие) започела је са радом у Немачкој, Француској и Аустрији, а 1907. године основана је прва комерцијална фабрика силиција у САД.
Челичарство није једина апликација за силиконска једињења комерцијализована пре краја 19. века.
За производњу вештачких дијаманата 1890. Едвард Гоодрицх Ацхесон загрејан алуминијум силикат са прахом кокса и случајно произведен силицијум карбид (СиЦ).
Три године касније Ацхесон је патентирао свој производни метод и основао Царборундум Цомпани (карборундум је уобичајено име за силицијум карбид у то вријеме) у сврху израде и продаје абразивних производа.
До почетка 20. века реализоване су и проводне особине силицијум карбида, а једињење је кориштено као детектор код раних бродских радија. Патент за детекторе силиконских кристала додељен је ГВ Пицкард 1906. године.
1907. године, прва ЛЕД диода (ЛЕД) која је емитовала светлост створена је применом напона у кристал силицијум карбида.
Кроз 1930-их употреба силикона порасла је развојем нових хемијских производа, укључујући силане и силиконе.
Раст електронике у протеклом веку такође је нераскидиво повезан с силицијумом и његовим јединственим својствима.
Иако је стварање првих транзистора - прекурсора савремених микрочипова - у 1940-им се ослањао на германијум , то није било дуго пре него што је силициј заменио свој металоидни рођак као издржљивији полупроводнички материјал подлоге.
Белл Лабс и Текас Инструментс су започели комерцијални транзистори засновани на силиконима 1954. године.
Прво интегрисано коло из силиција направљено је у 1960-им годинама, а до седамдесетих година развијани су процесори који садрже силицијум.
С обзиром на то да полупроводничка технологија заснована на силиконима представља окосницу савремене електронике и рачунарства, не би требало бити изненађење да се позивамо на центар активности за ову индустрију као "Силицијумску долину".
(За детаљан поглед на историју и развој Силиконске долине и микрочипове технологије, ја високо препоручујем документарни филм Америцан Екпериенце под називом Силицијумска долина).
Недуго након откривања првих транзистора, рад Белл Лабс-а с силиконом доводи до другог великог пробијања 1954. године: Прве силиконске фотонапонске (соларне) ћелије.
Пре тога, већина веровало да је немогућа замишљена мисао да се енергија сунчеве енергије створи на земљи. Али само четири године касније, 1958. године, први сателит с погоном на силицијумске соларне ћелије кружи се око Земље.
До седамдесетих година прошлог века, комерцијалне апликације за соларне технологије су се развијале у земаљске примјене, као што су осветљавање нафтних пловних објеката и жељезничких прелаза.
Током протекле две деценије, употреба соларне енергије је експоненцијално порасла. Данас, фотонапонске технологије засноване на силиконима чине око 90 процената глобалног тржишта соларне енергије.
Продукција:
Већина силицијума рафинисаних сваке године - око 80% - производи се као феросиликон за употребу у производњи гвожђа и челика . Ферросиликон може садржати између 15 и 90 процената силиција у зависности од захтева топионице.
Легура гвожђа и силицијума се производи помоћу потопљене електролучне пећи помоћу редукцијског таљења. Богата руда од силиката и извор угљеника, као што је коксни премак (металургијски угаљ), се сруши и убаци у пећ заједно са отпадним гвожђем.
На температурама изнад 1900 ° Ц (3450 ° Ф), угљеник реагује са присутним кисеоником у руду, формирајући гас угљен моноксид. Преостало гвожђе и силицијум, у међувремену, затим се комбинују за стварање растопљеног феросилиција, који се може сакупљати притиском на базу пећи.
Када се охлади и каљен, феросиликон се затим може испоручити и користити директно у производњи гвожђа и челика.
Исти метод, без укључивања гвожђа, користи се за производњу металуршког силицијума који је већи од 99 посто чист. Металуршки силицијум се такође користи у челичном топионизовању, као и производњи легура легура алуминијума и силанских хемикалија.
Металуршки силицијум је класификован по нечијим нивоима гвожђа, алуминијума и калцијума који су присутни у легури. На пример, 553 силицијумског метала садржи мање од 0,5 процента од сваког гвожђа и алуминијума, а мање од 0,3 процента калцијума.
Око 8 милиона метричких тона феросилиција се производи сваке године на глобалном нивоу, док Кина има око 70% укупног броја. Велики произвођачи укључују Ердос Металургију, Нингкиа Ронгсхенг Ферроаллои, Гроуп ОМ Материалс и Елкем.
Додатно 2,6 милиона метричких тона металуршког силицијума - или око 20 процената укупног рафинираног силицијумског метала - производи се годишње. Кина, опет, чини око 80 посто овог резултата.
За многе је изненађење што соларни и електронски модели силицијума чине само мало (мање од два процента) све рафиниране производње силиција.
Да би се надоградио на силицијумски метал (полисиликон) из соларне енергије, чистоћа се мора повећати на чистији силициј од 99,9999% (6Н). То се ради путем једног од три метода, од којих је најчешћи Сиеменс процес.
Процес Сиеменс обухвата хемијско испаравање испарљивог гаса познатог као трихлорсилан. На 1150 ° Ц (2102 ° Ф) трихлоксилан се пуни преко семена високе чистоће силицијума постављено на крају шипке. Током проласка, силицијум високе чистоће из гаса се депонује на семе.
Реактор флуидног слоја (ФБР) и побољшана силиконска технологија металургије (УМГ) такође се користе за побољшање метала до полисилиција погодног за фотонапонску индустрију.
У 2013. произведено је 230.000 метричких тона полисилиција. Водећи произвођачи укључују ГЦЛ Поли, Вацкер-Цхемие и ОЦИ.
Коначно, да би се произвела силикон за електронику који одговара индустрији полупроводника и одређеним фотонапонским технологијама, полисиликон мора бити претворен у ултра чист чистински монокристални процес помоћу Цзоцхралског процеса.
Да би се то учинило, полисиликон се раствара у жару на 1425 ° Ц (2597 ° Ф) у инертној атмосфери. Затворени семенски кристал се потопи у стаљени метал и полако ротира и уклања, дајући време силицијуму да расте на сјеменском материјалу.
Добијени производ је штапић (или боуле) од јединственог кристалног силиконског метала који може бити висок као 99.999999999 (11Н) процената чист. Овај штап се може допунити са бором или фосфором како је потребно како би се подесиле квантне механичке особине по потреби.
Монокристална шипка може се испоручити клијентима каква је, или се резила на облаке, и полирана или текстурирана за одређене кориснике.
Апликације:
Док се око десет милиона метричких тона феросилиција и метала силикона рафинише сваке године, већина силицијума који се користи комерцијално заправо је у облику силицијумских минерала, који се користе у производњи свега од цемента, малтера и керамике, до стакла и полимери.
Феросиликон, као што је наведено, најчешће се користи у металном силицијуму. Од прве употребе пре око 150 година, феросиликон је остао важан агент за деоксидацију у производњи угљеника и нерђајућег челика . Данас, челично топионирање остаје највећи потрошач феросилиција.
Ферросиликон, међутим, има више употреба осим производње челика. То је пред-легура у производњи магнезијум- феросилиција, нодулизатора који се користи за производњу дуктилног гвожђа, као и током процеса Пидгеон-а за пречишћавање магнезијума високе чистоће.
Ферросиликон се такође може користити за производњу легура жељезних силиција, као и силиконског челика, отпорних на топлину и корозију , који се користи у производњи електромотора и трансформаторских језгара.
Металуршки силикон се може користити у производњи челика, као и легура у ливењу алуминијума. Алуминијум-силиконски (Ал-Си) дијелови аутомобила су лагани и јачи од компонената одлистаних од чистог алуминијума. Аутомобилски дијелови као што су блокови мотора и фелне гума су неки од најчешће ливених силиконских делова.
Скоро половина металуршког силицијума користи хемијска индустрија за производњу дробљеног силика (средство за згушњавање и десикант), силана (спојно средство) и силикона (заптивна средства, лепкови и мазива).
Фотонапонски полисиликон се примарно користи у изради полисилицон соларних ћелија. Потребно је око 5 тона полисилиција за стварање једног мегавата соларних модула.
Тренутно полисиликонска соларна технологија чини више од половине соларне енергије произведене на глобалном нивоу, а моносилицон технологија доприноси око 35 процената. Укупно 90 одсто соларне енергије коју користе људи сакупља се помоћу технологије засноване на силиконима.
Монокристални силицијум је такође критични полупроводнички материјал који се налази у савременој електроници. Као материјал подлоге који се користи у производњи транзистора на терену (ЛЕД) и интегрисаних кола, силицијум се може наћи на скоро свим рачунарима, мобилним телефонима, таблама, телевизорима, радио-апаратима и другим савременим комуникационим уређајима.
Процењује се да више од једне трећине свих електронских уређаја садржи полупроводничке технологије засноване на силиконима.
Коначно, силицијум карбид тврде легуре користи се у различитим електронским и не-електронским апликацијама, укључујући синтетички накит, полупроводнике високих температура, тврду керамику, алате за резање, дискове кочнице, абразиве, заштитне прслуке и грејне елементе.
Извори:
Кратка историја производње легура челика и феролегура.
УРЛ: хттп : //ввв.урм-цомпани.цом/имагес/доцс/стеел-аллоиинг-хистори.пдф
Холапа, Лаури и Сеппо Лоухенкилпи. -
О улози фероелуја у производњи челика. 9. и 13. јун 2013. године. Тринаести међународни конгрес ферородова. УРЛ: хттп : //ввв.пирометаллурги.цо.за/ИнфацонКСИИИ/1083-Холаппа.пдф
Пратите Теренце на Гоогле+