Pii
Linas JuozėnasJaa
Pii: Tetraedrinen alkuaine kiven, lasin, valon ja logiikan takana
Pii yhdistää kaksi mittakaavaa, jotka harvoin esiintyvät samassa materiaalitarinassa. Maan kuoressa se sijaitsee happikeskeisissä kehyksissä, ketjuissa, levyissä ja eristyneissä tetraedreissä, jotka rakentavat kvartsia, maasälpää, savea, mikaa, pyroksenia, amfibolia ja lukemattomia muita mineraaleja. Puhdistetussa alkuaineisessa muodossa sama atomi muuttuu tarkasti hallituksi puolijohteeksi, jonka johtavuutta voidaan muuttaa pienillä boorin, fosforin ja vastaavien dopanttien lisäyksillä. Sen arvo ei perustu metalliseen runsauteen tai jalokiven väriin, vaan rakenteeseen: neljä kovalenttista sidosta, vakaa oksidi, säädettävä kapeakaista ja valmistusjärjestelmä, joka kykenee sijoittamaan miljardeja laitteita kiillotetulle kidepinnalle.
Pikafaktat
Alkuaineinen pii on kovalenttisesti sidottu puolijohde, ei perinteinen metalli. Sen kiillotettu pinta voi näyttää metalliselta, mutta sen sähköinen käyttäytyminen, hauras murtuma, optinen absorptio ja nelinkertainen kiderakenne sijoittavat sen eri materiaaliluokkaan. Lähes kaikki luonnossa esiintyvä pii on kemiallisesti sidottu happeen ja muihin alkuaineisiin; keräilykokoiset alkuaineiset näytteet ovat yleensä puhdistettuja tai laboratoriossa kasvatettuja.
| Termi | Merkitys | Tärkeä ero |
|---|---|---|
| Piidi | Kemiallinen alkuaine Si alkuaineisena, seosmuodossa, kiteisenä, monikiteisenä tai amorfisena. | Alkuainepiidi ei ole kvartsia eikä joustava silikonipolymeeri. |
| Piidioksidi | Piidioksidi, SiO₂, esiintyy kvartsina, tridymiittinä, kristobaliittina, koesiittinä, stishoviittina, opaaliina, lasina ja vastaavina muotoina. | Piidioksidi sisältää happea ja sillä on hyvin erilaiset ominaisuudet kuin alkuainepiidillä. |
| Silikaatti | Suuri mineraali- ja materiaaliperhe, joka rakentuu piin ja hapen tetraedreistä, jotka ovat yhteydessä metalleihin ja muihin kationeihin. | Feldspaatit, mica, savi, pyroksiini, amfiboli, oliivi ja granaatti ovat silikaatteja, eivät alkuainepiidiä. |
| Silikoni | Synteettisten polysiloksaanimateriaalien perhe, jossa polymerin selkärangassa vuorottelevat pii ja happi. | Silikonit voivat olla kumimaisia, nestemäisiä, hartseja tai liimoja; ne eivät ole alkuainepiidiä. |
| Piikarbidi | SiC, kova kovalenttinen keraami, joka esiintyy luonnollisesti harvinaisena moissaniittina ja valmistetaan monissa teknisissä muodoissa. | Se on kovempaa, tiheämpää ja optisesti erilaista kuin alkuainepiidi. |
| Polykidepiidi | Korkeapuhdas monikiteinen piidioksidi, joka on kerrostettu sauvoina, palasina tai rakeina puolijohde- ja aurinkosähkövalmistukseen. | Nimi viittaa moniin kidejyviin, ei piitä sisältävään polymeeriin. |
| Yksikiteinen piidioksidi | Jatkuva kide, jolla on yksi kiteellinen suunta koko hyödyllisessä tilavuudessa. | Suurin osa integroitujen piirien wafer-levyistä alkaa huolellisesti kasvatetuista yksikiteisistä ingoteista. |
| Amorfinen pii | Ei-kiteinen piidioksidi, joka on kerrostettu ohuena kalvona, yleensä vetykäsitelty elektronisten vikojen vähentämiseksi. | Siltä puuttuu wafer-kiteen pitkäkantainen timanttikidejärjestys. |
Identiteetti, nimeäminen ja raja alkuaineen ja mineraalin välillä
Piidi on alkuaine, ei yleisnimi kaikille piitä sisältäville aineille. Ero on tärkeä, koska alkuainepiidi on tummaa, läpinäkymätöntä, haurasta, puolijohteista ja timanttikiteistä, kun taas kvartsissa on läpinäkyvää tai läpikuultavaa piidioksidia ja silikonit ovat synteettisiä polymeerejä.
Nimi juontaa juurensa lopulta sanoista, jotka liittyvät piikiveen ja kovaan kiveen. Varhaiset kemistit tunnistivat, että piidioksidi todennäköisesti sisälsi tuntemattoman alkuaineen kauan ennen kuin he pystyivät eristämään sen. Nykyinen englanninkielinen muoto silicon otettiin käyttöön ennen kuin riittävän puhtaita näytteitä oli saatavilla täydelliseen fysikaaliseen tutkimukseen.
Alkuperäistä piitä on raportoitu harvinaisista meteoriiteista ja erittäin pelkistävistä maallisista ympäristöistä, mutta tällaiset esiintymät ovat yleensä mikroskooppisia ja vaativat analyyttisen varmistuksen. Käsikokoista näytettä, jossa lukee ”pii”, on lähes aina teollista materiaalia: metallurgista piitä, polysilikonia, sulasta kasvatettua kiteetä, waferia tai prosessoitua komponenttia.
Alkuperäinen pii
Kovalenttinen kide, joka koostuu pelkästään piiatomeista, pois lukien dopantit, epäpuhtaudet, pintahappi ja prosessointikerrokset.
Piidioksidi
Piidioksidi kiteisessä, lasimaisessa, opaliinisessa tai korkeapaineisessa muodossa. Sen happikehikko tuottaa täysin erilaisen optisen ja kemiallisen käyttäytymisen.
Silikaattimineraalit
Mineraalit, joissa piin ja hapen tetraedrit yhdistyvät alumiinin, magnesiumin, raudan, kalsiumin, natriumin, kaliumin ja muiden alkuaineiden kanssa.
Piiseokset
Ferrosilicon ja alumiini-piiseokset sisältävät merkittävästi piitä, mutta käyttäytyvät monivaiheisina metallimateriaaleina eivätkä puhtaina puolijohteina.
Silikonit
Valmistetut polymeerit, joiden joustavuus, tiivistettävyys, lämmönkestävyys ja pintakäyttäytyminen johtuvat Si–O-takaketjusta, jossa on orgaanisia sivuryhmiä.
Keräilyterminologia
Kuvauksissa tulisi mainita, onko näyte metallurgista laatua, polysilikonia, monokiteinen, polykideinen, wafer-materiaalia, pinnoitettu, dopattu vai prosessoitu.
Atomirakenne: Miksi neljä sidosta muuttaa kaiken
Tavallisessa paineessa kiteinen pii omaksuu timanttikideverkon rakenteen. Jokainen atomi sitoutuu neljään naapuriin, jotka sijaitsevat tetraedrin kulmissa. Tämä avoin, suuntainen verkosto selittää piin haurautta, halkeilua, puolijohteen energiakaistaa, suhteellisen pientä tiheyttä ja epätavallista laajenemista jäätyessä.
Tetraedrinen koordinaatio
Jokainen piiatomi muodostaa neljä vahvaa kovalenttista sidosta, joiden ideaalinen kulma on lähellä 109,5°. Geometria toistuu kiteessä kolmessa ulottuvuudessa.
Timanttikideverkko
Rakenne voidaan kuvata kahdeksi toisiinsa kietoutuneeksi kasvoihin keskittyneeksi kuutiolliseksi aliverkoksi, jotka ovat siirtyneet toisiinsa nähden.
Halkeama ja murtuma
Yksittäiset kiteet voivat haljeta {111} tasojen suuntaisesti. Sirpaleissa näkyy myös kaarevia konkoidipintoja, erityisesti siellä, missä halkeama ei seuraa yhtä selvää tasoa.
Laajeneminen jähmettyessä
Nestemäinen pii pakkaa tiiviimmin kuin avoin tetraedrinen kiinteä aine, joten materiaali laajenee jäätyessään—epätavallinen käyttäytyminen, jota esiintyy myös vedellä ja useilla siihen liittyvillä materiaaleilla.
Korkean paineen rakenteet
Äärimmäisen paineen alla pii muuttuu tiheämmiksi faaseiksi, joilla on metallinen luonne, mikä osoittaa, että sähköinen käyttäytyminen riippuu atomijärjestelystä sekä koostumuksesta.
Isotooppirakenne
Luonnollinen pii koostuu pääasiassa ²⁸Si-isotoopista, pienempiä määriä on ²⁹Si- ja ³⁰Si-isotooppeja. Isotooppipuhdistus on tärkeää tarkkuusmetrologiassa ja joissakin kvanttilaitetutkimuksissa.
Yksikide
Yksi jatkuva suunta sallii ennustettavan elektronisen kuljetuksen, hallitun halkeamisen ja toistettavan laitevalmistuksen.
Polykristallinen pii
Monet eri suuntaiset kiteet kohtaavat rajapinnoilla, jotka voivat vangita varauksia, hajottaa kantajia, keskittyä epäpuhtauksia tai edistää halkeilua.
Amorfinen pii
Pitkän kantaman järjestystä ei ole. Lukuisat roikkuvat sidokset passivoidaan yleensä vedyllä ohuen kalvon elektronisessa käytössä.
Huokoinen ja nanorakenteinen pii
Säädelty etsaus tai kasvu luo huokosia, johtimia, hiukkasia ja fotonisia rakenteita, joilla on ominaisuuksia, joita massakiteellä ei ole.
Pii maapallolla: tetraedrit, rapautuminen, sedimentti ja elämä
Piitä on maankuoren massaltaan toiseksi eniten, mutta se on ylivoimaisesti sidottuna happeen. SiO₄-tetraedri on yksi mineralogian tärkeimmistä rakenneyksiköistä, jotka liittyvät useilla tavoilla rakentaen kiviä vaipasta mannerpinnalle.
| Rakenteellinen järjestely | Kuinka tetraedrit liittyvät toisiinsa | Edustavat materiaalit |
|---|---|---|
| Erilliset tetraedrit | Jokainen SiO₄-yksikkö pysyy erillisenä ja on yhteydessä muihin kationeihin. | Oliiviini, granaatti, zirkoni ja monet vaipan tai metamorfaattiset mineraalit. |
| Parilliset ryhmät ja renkaat | Tetraedrit jakavat valittuja happiatomeja muodostaen kaksoisyksiköitä tai suljettuja renkaita. | Epidottiryhmän rakenteet, berylli, turmaliini ja niihin liittyvät mineraalit. |
| Yksinkertaiset ketjut | Jokainen tetraedri jakaa kaksi happiatomia pitkin pitkää ketjua. | Pyroksiinit kuten augiitti, diopsiitti ja enstatiitti. |
| Kaksoisketjut | Kaksi tetraedriketjua liittyy säännöllisesti leveämmiksi nauhoiksi. | Amfibolit kuten hornblendi ja tremoliitti. |
| Lehdet | Jokainen tetraedri jakaa kolme happiatomia laajoissa kerroksissa. | Mika, savimineraalit, talkki, serpentiini ja kloriitti. |
| Rungot | Kaikki neljä tetraedrin kulmaa osallistuvat kolmiulotteiseen verkostoon. | Feldspaatit, feldspatoidit, zeoliitit, kvartsi ja piilasi. |
Tuliperäiset kivet
Piipitoisuus ja piin kyllästyminen vaikuttavat magman viskositeettiin, mineraaliyhdistelmään, purkaustyyliin sekä siihen, kiteytyvätkö kvartsi, feldi, pyroksiini, oliiviini vai feldspatoidit.
Rapautuminen ja maaperä
Silikaatin rapautuminen vapauttaa liuennutta piihappoa ja muodostaa savimineraaleja samalla kun se kuluttaa ilmakehän hiilidioksidia geologisen ajan kuluessa.
Hiekka ja sedimentti
Kvartsi kestää monia rapautumiskierroksia ja kertyy hiekkaan, hiekkakiveen, rantakerrostumiin, dyyneihin ja jokijärjestelmiin.
Biogeeninen pii
Diatomit, radiolariat, monet sienet ja kasvien fytoliitit rakentavat rakenteita hydratoidusta tai amorfisesta piidioksidista, joka on otettu vedestä tai maaperästä.
Syvän maan käyttäytyminen
Vaipassa pii esiintyy korkeapaineisissa silikaateissa. Vielä suuremmassa paineessa koordinaatio muuttuu ja tiheät rakenteet vakiintuvat.
Piidioksidin diageneesi
Biogeeninen opaali ja vulkaaninen lasi voivat hautautuessaan järjestäytyä uudelleen opaali-CT:ksi, kalsedoniksi tai kvartsiksi, muuttaen huokoisuutta ja kiven lujuutta.
Fyysiset, lämpö-, kemialliset ja optiset ominaisuudet
Viitearvot vaihtelevat lämpötilan, kiteen suuntautumisen, epäpuhtauspitoisuuden, kantajatiheyden, rakeiden rakenteen ja pintakäsittelyn mukaan. Puolijohdeluokan yksikide on siksi toistettavampi kuin metallurginen pala, joka sisältää rautaa, alumiinia, kalsiumia, hiiltä ja muita epäpuhtauksia.
| Ominaisuus | Tyypillinen arvo tai käyttäytyminen | Käytännön merkitys |
|---|---|---|
| Atomiluku | 14. | Sijoittaa piin alumiinin ja fosforin väliin jaksossa 3 ja hiiliryhmään. |
| Vakioatomiarvo | 28.085. | Heijastaa kolmen stabiilin isotoopin luonnollista seosta. |
| Kidejärjestelmä | Kuutiollinen, timanttinen rakenne; avaruusryhmä Fd3̅m. | Säätää halkeamaa, anisotrooppista mekaanisuutta, elektronisia kaistoja ja levyn suuntautumista. |
| Tiheys | Noin 2,329 g/cm³ lähellä huoneenlämpötilaa. | Kevyempi kuin galena, hematiitti, piikarbidit ja useimmat metalliset näennäiset. |
| Kovuus | Noin Mohsin asteikolla 6,5–7. | Kestää tavallista terästä, mutta on haavoittuvainen kvartsille, korundiille, timantille ja koville hiontapölyille. |
| Halkeama ja murtuma | Vahva halkeama {111}-tasossa; muualla simpukkamainen tai epätasainen murtuma. | Ohuet levyt ja terävät sirpaleet voivat murtua äkillisesti taivutuksen tai reunapaineen alla. |
| Sulamispiste | Noin 1414 °C. | Mahdollistaa sulatuskasvun, mutta vaatii kestäviä, hallittuja kiteen tuotantojärjestelmiä. |
| Kiehumispiste | Noin 3265 °C. | Merkityksellinen korkealämpötilaisessa käsittelyssä ja höyryvaiheen saastumisen hallinnassa. |
| Lämpöjohtavuus | Noin 148 W/m·K korkeapuhdistetulle yksikiteelle lähellä huoneenlämpötilaa. | Korkea puolijohteeksi ja keraamiselle kiinteälle aineelle, mutta alhaisempi kuin kuparilla tai hopealla. |
| Lämpölaajeneminen | Matala ja suuntautunut kuutiollisen kiderakenteen mukaan. | Hyödyllinen tarkkuuslaitteissa, vaikka lämpötilaerot voivat silti haljeta levyjä. |
| Kaistanleveys | Epäsuora, noin 1,12 eV huoneenlämpötilassa. | Sopii elektroniikkaan ja aurinkosähkön muuntamiseen, mutta valon emittoinnissa vähemmän tehokas kuin suoran kaistan puolijohteet. |
| Näkyvä optiikka | Vahvasti absorboiva ja ilmeisesti läpinäkymätön tavallisessa massamuodossaan. | Kiillotetut kiekot näyttävät tummanharmaalta, ruskeanharmaalta tai lähes mustalta pintapinnoitteiden alla. |
| Infrapunaoptiikka | Korkea taitekerroin ja hyödyllinen läpäisy lähi- ja keski-infrapunan osissa. | Tukee infrapunalinssit, ikkunat, anturit ja integroidun fotoniikan. |
| Luontainen pintaloksidi | Ohut piidioksidikalvo muodostuu spontaanisti ilmassa; paksumpi korkealaatuinen oksidi kasvatetaan tai kerrostetaan teollisesti. | Passivoi pinnan ja tarjoaa teknologisesti arvokkaan rajapinnan. |
| Kemiallinen käyttäytyminen | Vesistabiili ja kestävä monia huoneenlämpötilan happoja vastaan pinnan oksidin ansiosta; hyökkäyksen kohteena erikoiskorroosioreagensseilla ja vahvoilla emäksillä. | Kotitalouspuhdistus on yleensä tarpeetonta ja voi vahingoittaa pinnoitteita tai metallointia. |
Puolijohdefysiikka: kantajat, lisäaineet, liitokset ja rajapinnat
Puhdas kiteinen pii sisältää huoneenlämpötilassa hyvin vähän liikkuvia varauskantajia verrattuna metalliin. Sen hyödyllisyys alkaa, kun lämpötila, valo, sähkökentät ja huolellisesti valitut epäpuhtaudet muuttavat elektronien ja aukkojen määrää ja liikettä.
Intrinsiikkinen pii
Lämpöenergia nostaa satunnaisesti elektronin kaistavälin yli, jättäen jäljelle liikkuvan aukon. Elektroneja ja aukkoja on yhtä paljon.
n-tyypin pii
Luovuttaja-atomit, kuten fosfori, arseeni tai antimoni, tuottavat elektroneja, jotka liikkuvat kiteessä helpommin kuin intrinsiikkiset kantajat.
p-tyypin pii
Vastaanottaja-atomit, yleisimmin boori, luovat liikkuvia aukkoja, jotka toimivat positiivisina varauskantajina valenssikaistassa.
p–n-liitos
Missä p-tyypin ja n-tyypin alueet kohtaavat, varauksen uudelleenjako luo sisäisen sähkökentän. Diodit, fotodiodit, transistorit ja aurinkokennot perustuvat tähän liitoskäyttäytymiseen.
MOS-rajapinta
Ohjattu oksidi tai vastaava dielektrinen kerros erottaa porttielektrodin piistä. Sähkökentät luovat tai poistavat johtavan kanavan rajapinnalla.
Virheet ja ansat
Tyhjät paikat, dislokaatiot, epäpuhtaudet, raerajat, roikkuvat sidokset ja saastuneet pinnat voivat vangita varauksia tai lyhentää kantajien elinikää.
| Aineen tila | Hallitsevat kantajat | Miten se valmistetaan | Tyypillinen rooli |
|---|---|---|---|
| Intrinsiikkinen pii | Tasa-arvoinen lämpöenergian tuottama elektronien ja aukkojen määrä. | Erittäin puhdas kide ilman tarkoituksellista sähköisesti aktiivista lisäainetta. | Viitekäyttäytyminen, detektoriaineisto ja lähtökohta laitesuunnittelulle. |
| n-tyypin pii | Elektronit. | Tarkoituksellinen luovuttajalisäys, usein fosforilla, arseenilla tai antimonilla. | Transistorialueet, kontaktit, diodit, anturit ja aurinkokennorakenteet. |
| p-tyypin pii | Aukot. | Tarkoituksellinen vastaanottajalisäys, yleisimmin boorilla. | Alustat, transistorialueet, liitokset, anturit ja valosähköiset laitteet. |
| Kompensoitu pii | Määritellään luovuttaja- ja vastaanottaja-atomien tasapainon perusteella. | Molemmat dopanttilajit ovat läsnä, tahallisesti tai saastumisen kautta. | Tarkka resistiivisyyden hallinta tai ei-toivottujen epäpuhtauksien korjaus. |
| Degeneratiivisesti dopattu pii | Erittäin korkea elektronien tai aukkojen pitoisuus. | Raskas implantointi, diffuusio tai sisäänkasvatusdopaus. | Matalaresistanssiset kontaktit ja alueet, jotka käyttäytyvät osittain johtimina. |
Kvartsista elektroniseen kideeseen
Piivalmistus on kemiallisen ja rakenteellisen hallinnan kasvava sarja. Kvartsi pelkistetään metallurgiseksi piiksi, puhdistetaan haihtuvien yhdisteiden avulla, talletetaan polysilikonina, kiteytetään ingotiksi, viipaloidaan waferiksi ja kuvioidaan satojen tarkasti hallittujen prosessivaiheiden kautta.
- Karboterminen pelkistysErittäin puhdas kvartsi tai kvartsiitti reagoi hiilen kanssa upotetussa kaariuunissa. Yksinkertaistettu kokonaisreaktio on SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Metallurgisen tason piiLiesituote on tavallisesti noin 98–99 % piitä, ja epäpuhtaudet ovat edelleen liian runsaita edistyneeseen elektroniikkaan.
- Kemiallinen muunnosPiireaktio muodostaa haihtuvia klorosilaaniyhdisteitä tai silaania, mikä mahdollistaa toistuvan tislaus- ja kemiallisen puhdistuksen.
- Polysilikonin talletusPuhdistettu kaasu hajoaa kuumilla pinnoilla tai fluidisoiduissa järjestelmissä muodostaen erittäin puhtaita tankoja tai rakeita.
- KidekasvuCzochralskin vetäminen tai float-zone-puhdistus luo hallittuja yksikiteitä; valaminen tai suuntainen kiteytys luo monikiteistä materiaalia.
- Waferin valmistusIngotit suunnataan, viipaloidaan, reunat pyöristetään, hiotaan, etsaataan ja kiillotetaan ennen laiteprosessointia.
Kvartsi pelkistetään korkeassa lämpötilassa
Sähköliesikemia poistaa hapen hiiltä sisältävien reaktioiden kautta ja tuottaa sulan piin, jossa on hallittuja mutta silti merkittäviä epäpuhtauksia.
Piitä muutetaan puhdistettavaksi kaasuksi
Haihtuvat yhdisteet mahdollistavat boorin, fosforin, metallien, hiiltä sisältävien aineiden ja muiden epäpuhtauksien erottamisen kemiallisen käsittelyn avulla.
Erittäin puhdas polysilikoni talletetaan
Useiden yhdeksien puhtaus saavutetaan, koska jokainen prosessointivaihe hylkää tai erottaa epäpuhtaudet, jotka muuten muuttaisivat kantajien elinikää ja resistiivisyyttä.
Kideorientaatio määritellään
Siemenkide ohjaa kasvua siten, että muodostuva ingotti säilyttää valitun orientaation ja hallitun dopanttipitoisuuden.
Ingotista tulee kiekkoja
Langan sahaus tuottaa ohuita levyjä. Reunan viimeistely, kemiallinen syövytys ja kemiallis-mekaaninen kiillotus tuottavat tasaisen, vähävikaisen pinnan.
Laitteet rakennetaan kerroksittain
Hapetus, kerrostus, litografia, syövytys, implantointi, diffuusio, puhdistus, annealointi ja metallointi luovat elektronisia rakenteita kiekon pinnalle.
Teolliset muodot, kiteytyypit ja keräilijänäytteet
Alkeelliset piinäytteet ovat yleensä valmistustuotteita eivätkä geologisia keräilyesineitä. Niiden hyödyllisin alkuperä on siksi teollinen: prosessi, puhtausluokka, kasvatusmenetelmä, kiteen orientaatio, pinnoite, valmistaja, päivämäärä ja alkuperäinen käyttötarkoitus.
Metallurginen pii
Tumman teräksenharmaat palat, joissa on kirkkaat murtopinnat, epäsäännölliset epäpuhtaudet, lasimainen murtuma ja satunnaisesti sininen tai pronssinen pintaharmauma.
Polypiihi-tanko
Korkeapuhdas kerrostettu pii, jonka pinta on huurrettu, solukkoinen, rakeinen tai kukkakaalimainen keskuslangan ympärillä.
Polypiihi-rouhe
Pieniä vapaasti virtaavia hiukkasia, jotka on valmistettu tehokkaaseen käsittelyyn ja sulatukseen kiteen kasvatus- tai aurinkosähkötuotannossa.
Yksikiteinen ingotti
Sylinterimäinen tai muotoiltu kide, jonka orientaatio, halkaisija, happipitoisuus, dopantti ja resistiivisyys ovat tarkasti hallittuja.
Peilikiillotettu kiekko
Ohut, erittäin tasainen levy, jossa on lovi tai tasainen reuna suuntaamista varten. Väri voi johtua oksidista, nitraatista, valokovetteesta tai monikerroskalvoista.
Monikiteinen kiekko
Viipale, joka sisältää monia jyviä, usein paljastuu syövyttämällä rajat, suuntatekstuuri tai erilainen heijastavuus.
Dendriittinen pii
Haarautuvat sulasta kasvatetut kiteet, jotka muodostuvat hallitun jäähdytyksen aikana, eivät tyypillisen luonnon mineraalikasvun tavoin.
Amorfinen piikalvo
Ohut kerros, jota käytetään elektroniikassa, detektoreissa, näytöissä ja aurinkosähköisissä rakenteissa, ei itsenäisenä keräyskiteenä.
Czochralskin pii
Kasvatettu sulasta piikupissa. Se voi sisältää hallittua happea, joka vaikuttaa mekaaniseen lujuuteen ja vikakäyttäytymiseen.
Float-zone-pii
Kapea sulanut vyöhyke kulkee tangon pitkin ilman kuppia, tuottaen poikkeuksellisen vähän happea ja korkean resistiivisyyden.
Aurinkokennojen monikiteinen pii
Historiallisesti valettu lohkoiksi, jotka sisältävät monia jyviä. Jyvänrajat ja epäpuhtaudet vaativat passivointia ja huolellista kennosuunnittelua.
Käsitelty siru
Leikattu kiekon pala, joka sisältää transistoreita, antureita, liitäntöjä, optisia rakenteita tai testikuvioita. Sen näkyvät värit kuuluvat pääasiassa pintakalvoille.
Historiallinen kiekko
Dokumentoitu kiekko tunnistettavasta tutkimusohjelmasta, valmistuslinjasta, laitesukupolvesta tai laitoksesta voi kantaa teknologista merkitystä materiaalisen arvonsa lisäksi.
Harvinainen alkuperäinen pii
Luonnolliset alkuainehiukkaset ovat tyypillisesti mikroskooppisia, analyyttisesti tunnistettuja ja upotettuja meteoriittiin tai epätavalliseen maankamaraan, eivätkä niitä myydä suurina irtokiteinä.
Pintakemia, ohutkalvoväri ja infrapunasäteily
Paljas pii ei ole luonnostaan kirkkaan sininen, violetti tai kultainen. Nämä värit syntyvät yleensä, kun valo heijastuu sekä ohutkalvon ylä- että alarajoista. Pienet muutokset oksidin tai nitraatin paksuudessa muuttavat häiriöväriä dramaattisesti.
Luonnollinen oksidi
Altistuminen ilmalle tuottaa erittäin ohuen oksidikerroksen, joka passivoi pinnan kemiallisesti, mutta voi olla liian ohut luodakseen voimakkaita näkyviä värejä.
Lämpöoksidi
Säännelty oksidaatio luo tiiviin SiO₂-kerroksen, jonka paksuus voidaan mitata optisesti ja suunnitella eristykseen, maskaukseen ja pintakontrolliin.
Piinitraatti
Si₃N₄-pinnoitteita käytetään passivointiin, jännityksen hallintaan, maskaukseen ja heijastuksen estoon. Niiden häiriövärit voivat muistuttaa tai ylittää oksidin värit.
Valoresisti ja prosessikalvot
Orgaaniset resistit, metallit, dielektrit ja monikerrosrakenteet lisäävät värejä, jotka eivät edusta alkuainepiin kehon väriä.
Infrapunasäteilyn läpinäkyvyys
Absorptioreunansa alapuolella riittävän puhdas pii läpäisee osan infrapunaspektristä ja sillä on korkea taitekerroin.
Vapaiden kantajien absorptio
Raskas dopaus lisää liikkuvia kantajia, jotka absorboivat infrapunasäteilyä ja kaventavat hyödyllistä optista ikkunaa.
| Havaittu ominaisuus | Todennäköinen syy | Tulkinnoissa varovaisuutta |
|---|---|---|
| Tasainen teräksenharmaa murtuma | Tuore alkuainepii, jossa on vähän koristeellista pintakalvoa. | Metallurgiset epäpuhtaudet voivat tummuttaa tai pilkuttaa pintaa. |
| Sininen, violetti, ruusunpunainen tai meripihkainen wafer | Oksidin, nitraatin, resistin tai monikerrosprosessoinnin ohutkalvovärähtely. | Väri yksinään ei kerro dopanttilajia, puhtautta tai laitteen toimintoa. |
| Peilimustaksi kiillotettu pinta | Näkyvä absorptio yhdistettynä erittäin tasaisen heijastavaan pintaan. | Tumma ulkonäkö ei tarkoita, että materiaali olisi amorfista tai matalan puhtauden omaavaa. |
| Huurteinen polykristallinen pinta | Monet pienet tasot, raerajat, kerrostuneet nystyt tai kemiallinen etsaus. | Rakenne voi syntyä valmistuksesta eikä luonnollisesta kiteytymisestä. |
| Säteittäiset tai pyörteiset jäljet waferilla | Kiillotus, puhdistus, kerrostumien epätasaisuus, kiteen kasvun juovat tai prosessijäämät. | Ammattilaismikroskopia voi olla tarpeen erottaa valmistushistoria vauriosta. |
| Säännöllinen lovi tai tasainen pinta | Valmistuksen suuntaus ja käsittelyominaisuus. | Se ei ole luonnollinen halkeamavaurio. |
Sovellukset: Kivimuodostuskemiasta ohjelmoitaviin pintoihin
Piin vaikutus ulottuu paljon pidemmälle kuin tietokoneprosessoreihin. Sen yhdisteet hallitsevat geologisia materiaaleja, kun taas puhdistettu alkuainepii tukee energian muuntamista, aistimista, mekaniikkaa, optiikkaa, kemiaa ja tarkkaa mittausta.
Lasi ja keramiikka
Piidioksidi ja silikaatit muodostavat ikkunoita, kuituja, optista lasia, posliinia, tulenkestäviä materiaaleja, lasitteita, laboratoriovälineitä ja teknisiä keramiikkoja.
Sementti ja betoni
Kalsiumsilikaatit säätelevät Portland-sementin hydrataatiota ja betonin lujuuden kehittymistä.
Integroitu piiri
Piiviipaleet kantavat logiikkaa, muistia, analogista elektroniikkaa, tehonhallintaa, viestintää ja sekasignaalijärjestelmiä.
Aurinkosähkö
Kiteinen pii imee auringonvaloa, erottaa fotonien tuottamat kantajat liittymissä ja on useimpien perinteisten aurinkomoduulien perusta.
MEMS ja anturit
Mikromekaanisesti valmistettu pii muodostaa kiihtyvyysantureita, paineantureita, mikrofoneja, gyroskooppeja, nestekiertojärjestelmiä ja resonanssirakenteita.
Infrapuna ja fotoniikka
Korkea taitekerroin ja infrapunasäteily mahdollistavat aaltoputket, modulaattorit, ilmaisimet, linssit ja integroidut optiset piirit.
Metallurgiset seokset
Pii parantaa valettavuutta, poistaa hapen teräksestä, muuttaa alumiiniseosten käyttäytymistä ja osallistuu lämmönkestäviin silikideihin.
Silikonimateriaalit
Teollinen piikemia tuottaa lopulta tiivisteitä, elastomeerejä, voiteluaineita, kapselointimateriaaleja, lääketieteellisiä materiaaleja ja lämmönkestäviä polymeerejä.
Tarkkuusmetrologia
Poikkeuksellisen puhtaat, isotooppisesti hallitut piikiteet ja -pallot tukevat mittausta ja perusvakioiden tutkimusta.
Kvanttilaitteet
Isotooppisesti puhdistettu pii voi vähentää magneettista kohinaa spin-pohjaisten kvanttitilojen ympärillä ja tarjota kypsän valmistusalustan.
Tunnistus ja yleiset samankaltaiset
Massiivinen alkuainepii tunnistetaan luotettavasti yhdistämällä metallimaisen ulkonäön alhainen tiheys, hauras konkoidimainen murtuma, tummanharmaa väri, kova pinta, metallin muokattavuuden puuttuminen ja teollinen alkuperä. Valmiit waferit tunnistetaan helpommin geometrian, urien, kiillotuksen ja prosessointikerrosten perusteella kuin kenttäkokeilla.
Ei-tuhoava tarkastusjärjestys
Tutki koko esinettä ennen kuin testaat yhtä kirkasta pintaa. Teollisissa materiaaleissa pakkaus, etiketit, prosessimerkinnät, suuntausurien ja niihin liittyvien laitteiden tiedot voivat olla tärkeämpiä kuin itse murtuma.
- Tunnista esineen luokkaErottele sulattimen pii, polysilicon, yksikide, wafer, siru, pinnoitettu alusta, seos tai jäljitelmä.
- Arvioi tiheys laadullisestiPii tuntuu odottamattoman kevyeltä verrattuna galenaan, hematittiin, teräkseen tai saman kokoiseen piikarbidiin.
- Tarkastele murtumageometriaaEtsi kuorimaisia kaaria, teräviä reunoja, heijastavia tasoja ja rakeiden rajojen vaihtelua.
- Tutki pintakerrostaMääritä, tuleeko väri oksidista, nitraatista, metallista, resististä, saastumisesta vai koristeellisesta pinnoitteesta.
- Etsi rakeiden rakennettaMonikiteinen materiaali voi paljastaa fasetteja, rakeita, eriytyneitä epäpuhtauksia ja epäsäännöllisiä murtumareittejä.
- Tarkista magnetismiPuhdas pii ei ole ferromagneettista; voimakas vaste viittaa ferrosiliconiin, kiinnittyneeseen metalliin tai saastumiseen.
- Vältä waferien naarmutustestaustaKovuusmittaukset tuhoavat kiillotetut pinnat ja voivat aiheuttaa halkeamia reunasta.
- Käytä analyysiä tarvittaessaRaman-spektroskopia, röntgendiffraktio, resistanssi, infrapunasäteily ja koostumusmenetelmät voivat vahvistaa materiaalin ja prosessin tilan.
| Materiaali | Miksi se saattaa muistuttaa piitä | Hyödyllisiä erottelukeinoja |
|---|---|---|
| Kvartsi tai piilasi | Samankaltainen kovuus, simpukkamainen murtuma ja piipitoista kemiaa. | Kvartsi ja lasi ovat SiO₂:ta, yleensä läpinäkyviä tai läpikuultavia ja ei-metallisia; alkuainepii on tumma ja läpinäkymätön näkyvässä valossa. |
| Piikarbidi | Tumma kovalenttinen materiaali metallisilla tai iridesenssipinnoilla. | SiC on paljon kovempaa, tiheämpää ja osoittaa usein voimakkaampaa keinotekoista iridesenssiä tai kidelevyjä. |
| Galena | Lyijynharmaa metallinen ulkonäkö ja hauras käyttäytyminen. | Galena on paljon raskaampaa, pehmeämpää ja osoittaa täydellisen kuutiomaisen lohkeamisen. |
| Hematitti | Teräksenharmaat metalliset tai puolimetalliset pinnat. | Hematitti on tiheämpää ja jättää punaruskean juovan. |
| Grafiitti | Tummanharmaa väri, puolimetallinen kiilto ja sähkönjohtavuus. | Grafiitti on hyvin pehmeää, rasvaista, jättää tumman jäljen ja lohkeaa joustaviksi hiutaleiksi. |
| Ferrosilicon | Teolliset tummat metallipalikat, joissa on runsaasti piitä. | Korkeampi tiheys, mahdollinen magnetismi, metalliseosvaiheet ja kemia, joka sisältää runsaasti rautaa. |
| Metallinen lasi tai kuona | Tumma heijastava murtuma ja epäsäännöllinen teollinen muoto. | Kuplia, virtakuviota, vaihtelevaa tiheyttä, sekoitettua koostumusta ja kiteisen piin puuttumista. |
| Pinnoitettu lasiwaferi | Litteä pyöreä alusta, jossa värikkäitä ohuita kalvoja. | Reunasiirto, alhaisempi tiheys, murtumiskäyttäytyminen ja optinen testaus erottavat lasin piiristä. |
Eristys, puolijohdetiede ja piialustan nousu
Piin historia etenee mineraalianalyysistä kemialliseen eristämiseen, hauraasta laboratoriomateriaalista erittäin puhtaaseen kideaineeseen ja yksittäisistä tasasuuntaajista integroituihin järjestelmiin. Ratkaiseva muutos ei ollut pelkästään alkuaineen löytäminen, vaan sen puhtauden, pinnan, kidevikojen ja rajapintojen hallitseminen.
Piidioksidi tunnistetaan tuntemattoman alkuaineen oksidiksi
Kemistit ymmärsivät, että kvartsissa ja siihen liittyvissä materiaaleissa oli komponentti, joka vastusti tavallista pelkistystä, mutta eristäminen oli vaikeaa, koska pii sitoutuu vahvasti happeen.
Epäpuhtaan piin valmistus ja englanninkielisen nimen kehitys
Varhaiset pelkistyskokeet tuottivat piitä sisältävää materiaalia, ja nimi ”pii” korvasi muodot, jotka perustuivat suoremmin metallisten alkuaineiden nimiin.
Jöns Jacob Berzelius eristää amorfisen piin
Berzelius tuotti ja kuvaili huomattavasti puhtaampaa alkuaineainesta, mikä loi perustan piin kemialliselle identiteetille.
Kiteinen pii valmistetaan
Henri Sainte-Claire Deville sai aikaan kiteistä piitä, mikä teki sen kiillon, haurautta ja rakennetta helpommin tutkittavaksi.
Pii tulee elektroniseksi ilmaisinemateriaaliksi
Pistekontaktlaitteet ja kideilmaisimet osoittivat tasasuuntauksen ennen kuin korkeapuhdas kiteen kasvu teki nykyaikaisen puolijohdetekniikan mahdolliseksi.
Korkeapuhdas pii mahdollistaa transistorit ja käytännölliset aurinkokennot
Puhdistus, dopantin hallinta, liitosmuodostus ja kiteen kasvu vakiinnuttivat piin yhä käytännöllisempänä vaihtoehtona germaniumille.
Pinnan passivointi, tasoprosessointi ja MOS-laitteet muuttavat valmistusta
Hallittu pii-oksidi-rajapinta mahdollisti pintojen suojauksen, laitteiden valokuvauksellisen määrittelyn ja tiheiden integroitujen piirien rakentamisen.
Pii laajenee aurinkosähköön, MEMS-teknologiaan, fotoniikkaan, metrologiaan ja kvanttitutkimukseen
Sama valmistusalusta tukee nyt energianmuunnosta, mekaanisia antureita, optisia piirejä, isotooppisesti hallittuja kiteitä ja nanoskaalan laitteita.
Pii ei tullut perustavanlaatuiseksi, koska se johtaa erityisen hyvin luonnollisessa tilassaan. Se tuli perustavanlaatuiseksi, koska sen johtavuutta, pintaa, geometriaa ja rajapintoja voidaan hallita poikkeuksellisen tarkasti.
Arviointi, alkuperä ja suhteellinen merkitys
Piillä ei ole yleistä keräysluokitusjärjestelmää. Karkeat sulatinkappaleet, polysilikonitangot, tieteelliset yksikiteet, tuotantowaferit, kuvioidut sirut, varhaiset aurinkokennot, historialliset integroidut piirit ja harvinaiset luonnonjyvät vaativat erilaisia prioriteetteja.
Materiaalin tunnistus
Vahvista, onko kohde alkuainepiitä, seos, piikarbidia, pinnoitettua lasia, käsitelty puolijohde vai muu teollinen materiaali.
Kidemuoto
Kirjaa monokristallinen, polykristallinen, dendriittinen, amorfikalvo, huokoinen, murtunut, leikattu, kiillotettu tai kerrostettu muoto.
Pinnan eheys
Tarkasta reunapalat, halkeamat, naarmut, utu, sormenjäljet, oksidin väri, delaminaatio, korroosio ja rikkoutunut metallointi.
Prosessin alkuperä
Valmistaja, kasvatusmenetelmä, laitos, waferin suuntaus, dopantti, resistiivisyys, halkaisija, päivämäärä ja tarkoitettu käyttötarkoitus voivat olla visuaalista täydellisyyttä merkityksellisempiä.
Historiallinen konteksti
Tutkimusetiketit, valmistussukupolvi, instituutio, lajetyyppi, pakkaus ja dokumentaatio voivat osoittaa teknologisen merkityksen.
Luonnollinen alkuperä
Väitteet alkuperäisestä piistä vaativat sijainnin, isäntäaineen, analyyttisen todistuksen ja alkuperäisen matriisin säilyttämisen.
| Esineen tyyppi | Priorisoitavat ominaisuudet | Tarkastettavat kohdat |
|---|---|---|
| Metallurginen piipala | Edustava murtuma, teollinen lähde, epäpuhtauksien rakenne, koko ja vakaa pinta. | Ferrosiliconin korvaus, kuona, pinnoitus, hapettuminen, terävät reunat ja dokumentoimaton lähde. |
| Polysilikonivarsi tai rakeet | Deposition morfologia, puhtausdokumentaatio, tuotantomenetelmä ja ehjä rakenne. | Saastuminen, käsittelyjäämät, murtunut filamentti, pinnoitus ja harhaanjohtavat luonnonkideväitteet. |
| Yksikiteinen kiekko | Halkaisija, suuntaus, lovi, paksuus, kiillotus, dopantti, resistiivisyys ja kasvatusmenetelmä. | Reunan sirpaleet, mikromurtumat, vääntyminen, naarmut, saastuminen, pinnoitus ja tuntematon prosessihistoria. |
| Kuvioitu kiekko | Laite- tai testikuvio, valmistusympäristö, päivämäärä, sirun asettelu, dokumentaatio ja pinnan säilytys. | Korrodoitunut metalli, delaminoituneet kalvot, valokovetteen jäämät, rikkoutunut reuna ja epätäydellinen alkuperä. |
| Historiallinen siru tai piiri | Tunnistettava toiminto, valmistaja, päivämäärä, pakkaus, instituutio ja teknologinen konteksti. | Uudelleenpakkaus, poistettuja etikettejä, väärennetty merkintä, rikkoutuneet liitokset ja puuttuva dokumentaatio. |
| Alkuperäinen piinäyte | Luonnollinen matriisi, tarkka sijainti, analyyttinen vahvistus, mittakaava ja julkaisuhistoria. | Teollinen saastuminen, sulatteen materiaali, iskusirut, keinotekoinen upotus ja tuettu attribuutio. |
Huolto, säilytys, esillepano ja työpajan turvallisuus
Massiivinen alkuainepii on kemiallisesti vakaa normaaleissa sisätiloissa, mutta sen reunat ovat hauraita ja käsitellyt pinnat voivat sisältää herkkiä oksideja, nitridit, metalleja, polymeerejä tai laiterakenteita. Huolellisuus tulisi kohdistaa koko esineeseen, ei pelkästään piialustaan.
Massiiviset palat
Tue epäsäännölliset kappaleet pehmustetuissa kiinnikkeissä, vältä niiden putoamista ja pidä terävät murtumareunat poissa naapurinäytteistä ja käsistä.
Paljaat kiekot
Käsittele reunoista puhtaat käsineet tai sopivat kiekon käsittelytyökalut käyttäen. Vältä taivuttamista, reunapainetta, pinontaa ilman erotinta ja hiekkaan koskemista.
Pinnoitetut kiekot
Älä oleta, että värikäs pinta kestää vettä, alkoholia, liuotinta, pesuainetta tai pyyhkimistä. Näkyvä kalvo voi olla pehmeämpi ja vähemmän vakaa kuin pii.
Käsitellyt laitteet
Metallilinjat, liitosalustat, polymeerit ja pakatut piirit voivat korrosoitua tai delaminoitua. Aktiiviset elektroniset laitteet saattavat myös vaatia sähköstaattisen purkauksen varotoimia.
Pölynhallinta
Älä hio, hio, poraa tai murskaa piitä huolettomasti. Käytä sopivia märkämenetelmiä tai paikallista imua sekä asianmukaista silmä- ja hengityssuojausta.
Tuntematon teollisuusromu
Käsitelty materiaali voi sisältää metallikalvoja, dopantteja, jäämiä, juotetta, valokovetetta tai saastetta, jota ei näy etupinnalta.
| Riski | Mahdollinen vaikutus | Ennaltaehkäisevä lähestymistapa |
|---|---|---|
| Reunavaurio | Sirpaloituminen, säteittäiset halkeamat, halkeamien eteneminen ja terävät sirpaleet. | Käytä pehmustettuja tukia, reuna-alueen vapaita kiinnityksiä ja erillistä säilytystä. |
| Levyn taivutus | Äkillinen täydellinen murtuma pienestä taivutuksesta tai olemassa olevasta reunan viasta. | Nosta tasaisesti tuettuna äläkä koskaan pakota levyä tiukkaan pidikkeeseen. |
| Hiontapöly | Pysyvät naarmut, sameus, kiillon menetys ja vauriot ohuissa kalvoissa. | Poista irtonaiset hiukkaset puhtaalla ilmapallolla tai hallitulla kosketuksettomalla menetelmällä ennen pyyhkimistä. |
| Kotitalousliuotin tai puhdistusaine | Resistiin turpoaminen, pinnoitteen menetys, metallin korroosio, jäämät ja muuttunut interferenssiväri. | Älä käytä improvisoituja kemiallisia puhdistusaineita käsitellyillä pinnoilla. |
| Lämpötilaero | Jännityssäröily, kalvon irtoaminen ja metalloinnin epäonnistuminen. | Vältä liekkiä, höyryä, kuumia levyjä, voimakkaita lamppuja ja äkillisiä lämpötilan muutoksia. |
| Sähköstaattinen purkaus | Vaurio toiminnallisessa tai historiallisesti merkittävässä aktiivisessa piirissä. | Käytä staattista käsittelyä, kun laite on sähköisesti aktiivinen tai suojaamaton. |
| Kuiva leikkaus tai hionta | Terävät ilmassa leijuvat hiukkaset ja mahdollisesti palava hienojakoinen pöly. | Käytä ammattimaisia pölynhallintakeinoja ja vältä tuntemattoman pinnoitetun romun käsittelyä. |
| Epävakaa kiinnitys | Levyn liukuminen, reunapaine, murtuma ja kuluminen kovia pidikkeitä vasten. | Käytä laajoja inerttejä tukia ilman pistekuormitusta. |
Dokumentointi ja vastuullinen kuvaus
Vahva piitietue erottaa alkuainekoostumuksen, puhtausluokan, kiderakenteen, teollisen muodon, prosessihistorian, pinnoitteen, laitteen tilan, luonnollisen alkuperän ja kunnon. Pelkkä ”piikide” voi peittää suurimman osan näistä merkityksellisistä tiedoista.
Materiaalin tunnistus
Tallenna alkuaineinen pii, ferrosilicon, piikarbid, pinnoitettu pii, lasialusta, polysilicon tai muu vahvistettu materiaali.
Kiteisyys
Dokumentoi yksikiteinen, monikiteinen, polykideinen, amorfinen, huokoinen, dendriittinen tai tuntematon rakenne.
Kasvu- ja jalostusmenetelmä
Merkitse metallurginen sulatus, Siemensin kerrostus, fluidisoidun vuoteen rakeet, Czochralskin kasvu, float-zone-kasvu, valaminen tai kalvokerrostus, jos tiedossa.
Elektroninen erittely
Säilytä orientaatio, dopantti, johtavuustyyppi, resistiivisyys, halkaisija, paksuus, tasaisuus, happiluokka ja laitteen käyttötarkoitus.
Pintakerros
Kuvaile paljasta, hapettunutta, nitraattipinnoitettua, metalloitua, valokovetepinnoitettua, passivoitua, kuvioitua, etsaettua tai pakattua tilaa.
Alkuperä ja kunto
Säilytä valmistaja, instituutio, projekti, päivämäärä, pakkaus, aiempi käyttö, reunapalat, naarmut, saastuminen, korjaukset ja valokuvat.
Nykyaikainen symboliikka ja reflektiivinen merkitys
Nykyaikaiset piin symboliset tulkinnat voivat ammentaa suoraan sen todellisesta materiaalikäyttäytymisestä: nelinkertainen rakenne, hallittu epäpuhtaus, valikoiva johtavuus, kerrokselliset rajapinnat, tarkka kuviointi ja runsaasta mineraaliraaka-aineesta tarkaksi kiteiseksi alustaksi muuttaminen. Nämä teemat ovat nykyajan heijastuksia, eivät väitteitä muinaisista piiperinteistä.
Rakenne ennen monimutkaisuutta
Laaja elektroninen järjestelmä alkaa toistuvista paikallisista suhteista: jokainen atomi sitoutuu ennustettavasti neljään naapuriin.
Pienet lisäykset, suuret vaikutukset
Pienet dopanttipitoisuudet voivat muuttaa johtavuutta kymmenillä kerroilla, mikä viittaa siihen, että huolellisesti valitut syötteet ovat tärkeämpiä kuin holtiton runsaus.
Rajapinnat luovat toiminnon
Piin ja eristävän kerroksen välinen raja ei ole pelkkä jako; se on paikka, jossa hallittavat kanavat ja laitteet tulevat mahdollisiksi.
Puhdistus valintana
Elektroninen puhtaus saavutetaan toistuvalla erottelulla ja mittauksella, ei yhdellä dramaattisella poistolla.
Kuvioitu rajoitus
Hyödyllinen piiri ei johda kaikkialla. Se ohjaa liikettä tarkoituksellisten alueiden, esteiden ja liitosten kautta.
Pinta ja sisäosa
Waferin väri voi kuulua vain nanometrin paksuiseen kalvoon, mikä muistuttaa meitä siitä, että esitys ja taustalla oleva rakenne liittyvät toisiinsa mutta eivät ole identtisiä.
Wafer-Kuukatsaus
- Valitse yksi järjestelmä, joka tuntuu monimutkaiselta, koska jokaista osaa käsitellään yhtä johtavana.
- Tunnista keskeinen rakenne, joka on säilytettävä vakaana.
- Nimeä yksi syöte lisättäväksi, yksi epäpuhtaus poistettavaksi ja yksi raja vahvistettavaksi.
- Määrittele, missä liikkumisen tulisi olla helppoa ja missä vastus on hyödyllistä.
- Valitse yksi mitattavissa oleva toimenpide, joka muuttaa järjestelmää ilman, että kaikkea rakennetaan uudelleen.
- Arvioi tulos yhden täydellisen jakson jälkeen ja säädä vain yhtä muuttujaa kerrallaan.
Jatka erikoistuneisiin piiohjeisiin
Piiä voidaan tutkia alkeiskristallografian, puolijohdeoptiikan, geologian, teollisen jalostuksen, monikiteisen rakenteen, teknologian historian, nykyaikaisen symboliikan ja reflektiivisen käytännön kautta.
Usein kysytyt kysymykset
Onko pii metalli?
Pii luokitellaan perinteisesti metalloideihin. Sillä on metallimainen pinta, mutta se on kovalenttisesti sidottu puolijohde, jonka johtavuus riippuu paljon enemmän lämpötilasta ja dopanteista kuin tavallisella metallilla.
Onko pii sama kuin piidioksidi?
Ei. Pii on alkuaine Si. Piidioksidi eli piioksidi, SiO₂, sisältää kvartsi, kristobaliitin, tridymiitin, opaali, piilasin ja korkeapaineiset muodot.
Onko pii sama kuin silikoni?
Ei. Silikoni on synteettinen polymeeriperhe, jolla on vuorottelevat pii-happi-pääketjut ja orgaaniset sivuryhmät. Silikonikumit, -öljyt, -hartsi ja -tiivisteet eivät ole alkuainepiitä.
Miksi alkuperäinen pii on niin harvinaista?
Pii sitoutuu vahvasti happeen ja liittyy helposti piidioksidi- ja silikaattirakenteisiin. Luonnollinen alkuainepii vaatii epätavallisen pelkistävät olosuhteet ja on yleensä mikroskooppista.
Miksi piikiekko näyttää siniseltä tai violetilta?
Väri johtuu yleensä ohuen oksidin, nitraatin, valokovetteen tai monikerroksisen kalvon aiheuttamasta interferenssistä. Paljas pii on kiillotettuna tummanharmaa lähes musta.
Miksi piitä käytetään tietokonepiireissä?
Piillä on hyödyllinen kapeakaista, korkealaatuinen alkuperäinen ja lämpöoksidi, erinomainen pintapassivointi, riittävä lämmönjohtavuus, mekaaninen lujuus, runsas raaka-aine, kypsä puhdistus ja kehittyneet valmistusmenetelmät.
Mikä on ero p-tyypin ja n-tyypin piin välillä?
p-tyypin pii sisältää vastaanottajadopantteja, jotka tekevät aukoista enemmistökantajia. n-tyypin pii sisältää luovuttajadopantteja, jotka tekevät elektroneista enemmistökantajia.
Mikä on aukko?
Aukko on tehokas positiivinen kantaja, joka liittyy puuttuvaan elektronitilaan valenssivyössä. Se käyttäytyy ikään kuin positiivinen varaus liikkuisi kiteen läpi.
Mikä on polykide pii?
Polykide pii on korkean puhtauden monikiteistä alkuainepiitä. Sitä kerrostetaan yleensä tangoina, paloina tai rakeina ja myöhemmin sulatetaan kiekkojen tai aurinkokennojen valmistukseen.
Mikä on ero monikiteisen ja yksikiteisen piin välillä?
Yksikiteinen pii ylläpitää yhtä kiderakennetta koko hyödyllisessä tilavuudessa. Monikiteinen pii sisältää monia jyviä, jotka ovat erillään rajoilla, jotka vaikuttavat murtumiseen, epäpuhtauksien jakautumiseen ja kantajien kuljetukseen.
Mikä on amorfinen pii?
Amorfinen pii ei omaa pitkän kantaman kiderakennetta ja se yleensä kerrostetaan ohuena kalvona. Vetyä lisätään usein passivoimaan roikkuvia sidoksia ja parantamaan elektronista käyttäytymistä.
Mikä on Czochralski-pii?
Se on yksikiteinen pii, joka kasvatetaan hitaasti vetämällä ja pyörittämällä siementä sulassa piissä, joka pidetään piidioksidikruusissa. Useimmat perinteiset suuret puolijohdekiekot valmistetaan tällä menetelmällä.
Mikä on float-zone-pii?
Float-zone-pii puhdistetaan ja kiteytetään siirtämällä kapea sulanut alue piitangon pitkin ilman uunia. Se voi saavuttaa hyvin alhaisen happipitoisuuden ja korkean resistiivisyyden.
Miksi pii on läpinäkymätöntä näkyvässä valossa mutta hyödyllistä infrapunaoptiikassa?
Näkyvillä fotoneilla on yleensä riittävästi energiaa imeytyä piin elektronisiirtymien kautta. Alhaisemman energian infrapunasäteet voivat kulkea riittävän puhtaan materiaalin läpi sovelluksesta riippuvalla aallonpituusalueella.
Johtaako pii sähköä luonnostaan?
Puhdas pii johtaa huonosti huoneenlämpötilassa verrattuna metalliin. Lämpö, valo, virheet ja tarkoituksellinen dopaus voivat lisätä sen johtavuutta merkittävästi.
Miksi johtavuus kasvaa, kun piitä kuumennetaan?
Lämpö saa aikaan enemmän elektroneja siirtymään kapean energiavälin yli, luoden lisää elektroni-aukko-pareja. Kasvava kantajamäärä voi ylittää liikkuvuuden vähenemisen, joka johtuu kiderakenteen värähtelystä.
Voiko alkuainepii naarmuttaa lasia?
Terävä piin reuna voi naarmuttaa monia tavallisia laseja, koska sen kovuus on noin Mohsin asteikolla 6,5–7. Valmiin kiekon tai dokumentoidun näytteen testaaminen on tarpeetonta ja aiheuttaa pysyvää vahinkoa.
Miksi pii murtuu niin helposti, vaikka se on kovaa?
Kovuus mittaa naarmuuntumisen kestävyyttä, ei murtumisen kestävyyttä. Piin suuntainen kovalenttinen kiderakenne on jäykkä mutta hauras, ja ohuet kiekot ovat herkkiä reunavirheille ja taivutukselle.
Voiko piitä puhdistaa vedellä?
Paljas massapii kestää lyhytaikaista kosketusta veden kanssa, mutta käsitellyt levyt voivat kantaa kalvoja, metalleja, polymeerejä tai jäämiä, jotka eivät kestä. Kuiva kosketukseton puhdistus on turvallisempi oletus tunnistamattomalle käsitellylle näytteelle.
Voinko kiillottaa rikkinäisen piilevyn?
Kiillotus poistaa olemassa olevan pinnan ja voi tuhota oksidin värin, laitekerrokset, alkuperän ja reunan geometrian. Se myös tuottaa hienoa pölyä eikä sitä tulisi tehdä kevyin perustein.
Onko piikarbidi piin muoto?
Piikarbidissa on piitä, mutta se on erillinen yhdiste kaavalla SiC. Se on kovempi, tiheämpi, kuumuutta kestävämpi ja sähköisesti erilainen kuin alkuainepii.
Mitä ura levyllä tarkoittaa?
Ura on valmistettu suuntaus- ja käsittelyominaisuus. Se auttaa automaattista laitteistoa kohdistamaan levyn ja tunnistaa kidefysiikan viitesuunnan.
Voiko oksidin väri paljastaa kalvon tarkan paksuuden?
Väri voi antaa likimääräisen arvion hallitussa valaistuksessa, mutta tarkka paksuus vaatii kalibroidun optisen mittauksen, koska väri riippuu myös kulmasta, alustasta, taitekertoimesta ja lisäkerroksista.
Mitä näytteen etikettiin tulisi merkitä?
Tallenna alkuaineen identiteetti, puhtaus tai laatu, yksikiteinen tai monikiteinen muoto, kasvatusmenetelmä, levyn suuntaus, dopantti ja resistiivisyys, jos tiedossa, pinnoite, valmistaja, päivämäärä, aiempi käyttö ja kunto.
Lopullinen pohdinta
Pii alkaa yksinkertaisella paikallisella säännöllä: jokainen atomi muodostaa neljä suuntautuvaa sidosta. Toistettuna kiteessä tämä sääntö luo verkon, joka on tarpeeksi jäykkä tukemaan tarkkuuslaitteita mutta tarpeeksi hauras lohkeamaan vaurioituneesta reunasta. Sama sidos tuottaa epäsuoran kapean kapean energiavälin, kohtuullisen lämmönjohtavuuden, korkean infrapunaheijastavuuden ja pinnan, joka kykenee kantamaan poikkeuksellisen hallitun oksidin.
Geologiassa pii harvoin esiintyy yksinään. Se liittyy happeen muodostaen tetraedreja, ja nämä tetraedrit muodostavat erillisiä ryhmiä, renkaita, ketjuja, levyjä ja kehikoita. Niiden kautta pii päätyy vaipan mineraaleihin, tulivuorilasille, graniitille, savelle, maaperälle, hiekalle, diatomikuorille, betonille, posliinille ja ikkunoille.
Teollinen käsittely kääntää tämän luonnollisen hapettumistaipumuksen. Kvartsi pelkistetään, puhdistetaan haihtuvien yhdisteiden avulla, talletetaan polysilikonina, kasvatetaan hallituksi kiteeksi, viipaloidaan levyiksi ja kuvioidaan toistuvien lisäys- ja poistosyklien kautta. Pienet dopantit ohjaavat sähköistä käyttäytymistä; nanometrin mittakaavan kalvot muokkaavat väriä ja rajapintoja; mikroskooppiset viat määräävät, toimiiko laite vai epäonnistuuko se.
Täydellinen ymmärrys piistä yhdistää siksi mineralogian, kidefysiikan, termodynamiikan, kiinteäainefysiikan, optiikan, metallurgian, kemian, valmistuksen, elektroniikan, energian, suojelun ja teknologian historian. Sen määrittävä ominaisuus ei ole se, että se on luonnostaan johtava tai visuaalisesti näyttävä. Se on, että runsaasti esiintyvä kivilajien muodostava alkuaine voidaan puhdistaa, jäsentää ja kuvioida niin, että aineesta itsestään tulee ohjelmoitavissa.