Силиций (Si) елемент 14: свойства, приложения и значение в електрониката

Силицият е елемент 14 в периодичната таблица. Символът му е Si. Сред основните му характеристики са относително малката атомна маса (≈28.09 u), електронна конфигурация [Ne] 3s2 3p2 и позиция между металите и неметалите, което го прави типичен металоид.

Физични и химични свойства

• Кристална структура: диамантоподобна (кубична), твърд материал със сива метална повърхност.
• Топлинни свойства: точка на топене ≈ 1414 °C и точка на кипене ≈ 2900 °C.
• Плътност: около 2.33 g/cm3 при стандартни условия.
• Електрически свойства: не провежда електричество толкова лесно, колкото металите — при чисто (немодифицирано) състояние е полупроводник; проводимостта се променя значително чрез доминиране (doping) с други елементи.
• Химично поведение: реагира с кислород до образуване на много стабилен слой силициев диоксид (SiO2); образува множество силикати и комплексни съединения.

Произход, срещане и състав

На Земята има много силиций. На плажа има силиций под формата на пясък. Пясъкът е съединение на силиция, известно като силициев диоксид или силициев диоксид. Стъклото се получава чрез нагряване на пясъка (или силициевия диоксид) до достатъчно висока температура. Стъклото може да има различни цветове чрез добавяне на цветни съединения. Силицият съставлява и много различни скали и минерали, които се наричат силикати. В земната кора силицият е един от най-разпространените елементи — около 25–30% по маса.

Производство и пречистване

Силицият в природата обикновено се среща свързан (като SiO2 или в силикати). За да се получи метален силиций, често се използва карботермично редукционно изпичане на кварцов пясък с въглерод при висока температура, което дава технически (металургичен) силиций. За електронни приложения този силиций трябва да бъде допълнително пречистен. Най-често използваните методи включват химично пречистване (напр. чрез създаване и разпад на газообразни хлоросилициеви съединения) и растеж на монокристални кристали чрез методи като Czochralski (за производство на wafer-и за интегрални схеми).

Приложения

• Електроника: силицият е основният материал за производство на полупроводникови устройства — транзистори, интегрални схеми и чипове, използвани в компютри и почти всички електронни устройства. Германият също може да се използва в компютрите, но силицият се намира по-лесно.
• Фотоволтаика: силициевите соларни клетки (кристален и аморфен силиций) са най-разпространените за преобразуване на слънчевата енергия в електричество.
• Стъкло и керамика: основна суровина е силициевият диоксид — получава се стъкло, огнеупорни материали и различни керамични изделия.
• Силикони и органосилициеви съединения: силиконите (полимери със силиций в скелета си) и други силициеви съединения се използват в смазки, лепила, изолации и медицински импланти.
• Специални материали: силициев карбид (SiC) и други силициеви съединения се използват за издръжливи режещи инструменти, високотемпературни приложения и електронни устройства за висока мощност.

Роля в технологиите и бъдещи тенденции

Силицият остава основа на съвременната микроелектроника, но в някои ниши се търсят и друг вид полупроводници (напр. GaN, SiC, Ge) заради по-добри характеристики при висока мощност, честота или за оптоелектронни приложения. При фотоволтаичните системи продължават подобренията в ефективността и намаляване на разходите за производство на висококачествен силиций.

Безопасност и екология

• Силициевият прах (кварцов прах, кристален SiO2) може да бъде опасен при вдишване в големи количества и продължително влияние — може да предизвика силикоза; затова при обработка на пясък, шлайфане и др. се вземат мерки за контрол на праха и лична защита.
• Производството на високочист силиций и силиконови продукти изисква енергия и химически процеси; все по-често се работи за оптимизация и рециклиране на материали в електрониката и слънчевите панели.

Интересни факти

• Името „силиций“ произлиза от латинската дума „silex“ или „silicis“, означаваща кремък или кварц.
• Въпреки че е металоид, повърхността на чистия силиций може да има лъскав метален вид.
• „Силикон“ (полимер) и „силиций“ (елемент) са различни неща — силиконите съдържат силиций в състава си, но са големи органични полимери с напълно различни свойства.

Въпроси и отговори

В: Какво е силиций?

В: Какъв е атомният номер на силиция?

В: Какъв е символът на силиция?

В: Може ли силицият да провежда добре електричество?

В: Къде се използва силицият?

В: От какво е направен силициевият диоксид?

В: Какво представляват силикатите?

Търсене по буква