Поглед на полуметалниот силикон
Силиконскиот метал е сив и сјаен полупроводнички метал кој се користи за производство на челик, соларни ќелии и микрочипови.
Силикон е вториот најзастапен елемент во земната кора (зад само кислород) и осмиот најчест елемент во универзумот. Всушност, скоро 30 проценти од тежината на земјената кора може да се припише на силикон.
Елементот со атомски број 14 природно се јавува во силикатни минерали, вклучувајќи силика, фелдспар и мика, кои се главни компоненти на обичните карпи, како кварц и песочник.
Полуметал (или металоид ), силикон поседува некои својства на метали и на неметали.
Како вода - но за разлика од повеќето метали - силиконски договори во својата течна состојба и се проширува додека се зацврстува. Има релативно високи точки на топење и вриење, а кога кристализира формира дијамантска кубна кристална структура.
Критична за улогата на силикон како полупроводник и неговата употреба во електрониката е атомската структура на елементот, која вклучува четири валентни електрони кои дозволуваат силикон лесно да се поврзат со други елементи.
Својства:
- Атомски симбол: Si
- Атомски број: 14
- Елемент Категорија: Металоид
- Густина: 2.329g / cm3
- Точка на топење: 2577 ° F (1414 ° C)
- Точка на вриење: 5909 ° F (3265 ° C)
- Тврдост на Мох: 7
Историја:
Шведскиот хемичар Јонс Џејкоб Берзерлиус е заслужен за првиот изолирачки силикон во 1823 година. Берзерлиус го постигна ова со загревање на метален калиум (кој беше изолиран само десет години порано) во пресудни моменти заедно со калиум флуоросиликат.
Резултатот беше аморфен силициум.
Сепак, изработката на кристален силициум бара повеќе време. Електролитски примерок од кристален силициум нема да се прави уште три децении.
Првата комерцијализирана употреба на силикон беше во форма на феросилициум.
По модернизацијата на индустријата за производство на челик, Хенри Бесемер во средината на 19 век, имаше голем интерес за металургија на челик и истражување во техники на производство на челик.
До времето на првото индустриско производство на феросилициум во 1880-тите, важноста на силикон за подобрување на пластичноста во сурово железо и дезоксидирачки челик е прилично добро разбрана.
Рано производство на феросилициум беше направено во високи печки со намалување на руди кои содржат силициум со јаглен, што резултираше со сребрено сурово железо, феросилицион со до 20 проценти содржина на силициум.
Развојот на електрични лачни печки на почетокот на 20 век овозможи не само поголемо производство на челик , туку и повеќе производство на феросилициум.
Во 1903 година, група специјализирана за изработка на феролегу (Compagnie Generate d'Electrochimie) започна со работа во Германија, Франција и Австрија, а во 1907 година, беше основана првата комерцијална фабрика за силикон во САД.
Стилството не беше единствената апликација за силициум соединенија комерцијализирани пред крајот на 19 век.
За да произведе вештачки дијаманти во 1890 година, Едвард Гудрих Ачесон го загревал алуминиумот силикат со кокс во прав и инцидентно произведувал силициум карбид (SiC).
Три години подоцна, Acheson го патентирал својот производствен метод и ја основал Carborundum Company (карборундот како заедничко име за силициум карбид во тоа време), со цел да се произведуваат и продаваат абразивни производи.
До почетокот на 20 век, проводничките својства на силициум карбид, исто така, се реализираа, а соединението се користеше како детектор во раните бродски радија. Патент за детектори за силициум-кристал беше доделен на GW Pickard во 1906 година.
Во 1907 година, првата светлина што се емитуваше (LED) беше создадена со примена на напон во кристал на силициум карбид.
Преку употреба на силикон од 1930-тите растеше со развојот на нови хемиски производи, вклучувајќи силани и силикони.
Растот на електрониката во текот на минатиот век, исто така, е неразделно поврзан со силикон и неговите уникатни својства.
Додека создавањето на првите транзистори - претходници на современите микрочипови - во 1940-тите се потпираа на германиум , тоа не беше долго пред силикон да го замени својот металоиден братучед како потрајни полупроводнички материјал од супстрат.
Bell Labs и Texas Instruments започнаа комерцијално производство на транзистори базирани на силициум во 1954 година.
Првите силициумски интегрални кола беа направени во 1960-тите години, а до 1970-тите, беа развиени силиконски процесори.
Со оглед на тоа што полупроводничката технологија базирана на силициум ја формира основата на модерната електроника и компјутери, не треба да биде изненадување што се однесуваме на центарот за активност за оваа индустрија како "Силиконска долина".
(За детален поглед на историјата и развојот на Силиконската долина и микрочип технологијата, високо препорачувам документарен филм "Американски искуства" наречен Силиконска долина).
Не долго по откривањето на првите транзистори, работата на Bell Labs со силикон доведе до втор голем пробив во 1954 година: Првата силиконска фотоволтаична (соларна) ќелија.
Пред тоа, мислата за искористување на енергијата од сонцето за да се создаде моќ на земјата се сметаше за невозможна за повеќето. Но, само четири години подоцна, во 1958 година, првиот сателит напојуван од силикон соларни ќелии орбитира околу Земјата.
До 1970-тите, комерцијалните апликации за соларни технологии пораснаа во копнени апликации како што се осветлување на офшор нафтоводи и железнички премини.
Во текот на изминатите две децении, употребата на сончевата енергија расте експоненцијално. Денес, силиконските фотоволтаични технологии сочинуваат околу 90 проценти од глобалниот пазар на соларна енергија.
Производство:
Најголем дел од силиконските рафинирани секоја година - околу 80 проценти - се произведува како феросилициум за употреба во производството на железо и челик . Феросилициумот може да содржи секаде помеѓу 15 и 90 проценти силикон во зависност од потребите на топилницата.
Легура на железо и силициум се произведува со користење на потопена електрична ладна печка преку редукција на топење. Богатата силика богата руда и извор на јаглерод, како што се коксузен јаглен (металуршки јаглен), се кршат и се внесуваат во печката заедно со старо железо.
На температури над 1900 ° C (3450 ° F), јаглерод реагира со присуството на кислород во рудата, формирајќи гас на јаглерод моноксид. Останатото железо и силикон, пак, потоа се комбинираат за да се произведат стопена феросилицион, што може да се собере со прислушување на основата на печката.
Откако ќе се олади и појача, феросилициумот потоа може да се испрати и да се користи директно во производството на железо и челик.
Истиот метод, без вклучување на железо, се користи за производство на металуршки одделение силикон кој е поголем од 99 проценти чист. Металуршкиот силикон се користи и за топење на челик, како и за производство на алуминиумски легури и хемикалии од силан.
Металуршкиот силикон е класифициран според нивото на нечистотии од железо, алуминиум и калциум присутни во легурата. На пример, 553 силициум метал содржи помалку од 0,5 проценти од секое железо и алуминиум, а помалку од 0,3 проценти калциум.
Секоја година се произведува околу 8 милиони метрички тони феросилициум, при што Кина изнесува околу 70 проценти од вкупниот број. Големи производители вклучуваат Ердос Металургија група, Ningxia Rongsheng феролегури, група OM материјали и Elkem.
Дополнително 2,6 милиони метрички тони металуршки силикон - или околу 20 проценти од вкупниот рафиниран силициум метал - се произведува годишно. Кина, пак, изнесува околу 80 проценти од овој излез.
Изненадување за многумина е тоа што соларните и електронските степени на силиконската сметка претставуваат само мала количина (помалку од два проценти) од сето производство на префинето силициум.
За надградба на силициум метал соларен одделение (полисилициум), чистотата мора да се зголеми на повеќе од 99,9999% (6N) чист силициум. Ова се прави преку еден од трите методи, најчестиот процес на Siemens.
Сименс Процесот вклучува хемиско пареа на талог на испарлив гас познат како трихлоросилан. На 1150 ° C (2102 ° F) трихлоросилан се разнесува преку силиконско семе со висока чистота поставено на крајот од стапчето. Како што поминува, силикон со висока чистота од гасот се депонира врз семето.
Реакторот на флуидните кревети (FBR) и модернизираната металургична одделение (UMG) силиконска технологија исто така се користат за подобрување на метали до полисилициум погоден за фотоволтаичната индустрија.
Во 2013 година беа произведени 230.000 метрички тони полисиликон. Водечките производители вклучуваат GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.
Конечно, за да се направи силикон со степен на електроника погоден за индустријата за полупроводници и одредени фотоволтаични технологии, полисилициумот мора да се конвертира во ултра чист монокристален силикон преку Чеховскиот процес.
За да го направите ова, полисиликон се топи во пресудни моменти на 1425 ° C (2597 ° F) во инертна атмосфера. Семенски кристал монтиран на прачка потоа се натопи во стопениот метал и полека се ротира и се отстранува, давајќи време на силикон да расте на семенскиот материјал.
Како резултат на производот е прачка (или boule) на монокристалличен силиконски метал кој може да биде високо како 99,999999999 (11N) проценти чист. Оваа прачка може да се допира со бор или фосфор, како што е потребно за да се прилагодат квантните механички својства како што е потребно.
Монокристалната прачка може да се испрати до клиентите како што е, или исечени во вафли и полирани или текстурирани за одредени корисници.
Апликации:
Додека околу десет милиони метрички тони феросилициум и силициум метал се рафинирани секоја година, поголемиот дел од силикон кој се користи комерцијално е всушност во форма на силициумски минерали, кои се користат во производството на сè, од цемент, малтери и керамика, на стакло и полимери.
Феросилицион, како што е наведено, е најчестата форма на метален силициум. Од својата прва употреба пред околу 150 години, феросилициумот остана важен агент за деоксидирање во производството на јаглерод и нерѓосувачки челик . Денес, топењето на челик останува најголем потрошувач на феросилициум.
Сепак, феросилициумот има голем број на намени надвор од производството на челик. Тоа е пред-легура во производството на магнезиум феросилициум, нодулатор кој се користи за производство на нодуларен железо, како и за време на процесот на Pidgeon за рафинирање на магнезиум со висока чистота.
Феросилициумот исто така може да се користи за да се направат метални силиконски легури, како и силиконски челик, кои се отпорни на топлина и корозија , што се користи во производството на електромотори и трансформаторски јадра.
Металуршки силикон може да се користи во производство на челик, како и легирање агент во алуминиум кастинг. Алуминиумски силиконски (Al-Si) делови за автомобили се лесни и посилни од компонентите наменети од чист алуминиум. Автомобилски делови, како што се моторни блокови и гуми, се дел од најчесто фрлани алуминиумски силиконски делови.
Речиси половина од сите металуршки силикон се користи во хемиската индустрија за да се произведе fumed силика (задебелување агент и desiccant), silanes (агент за спојување) и силикон (заптивки, лепила и мазива).
Полисиликон од фотоволтаичен одделение се користи првенствено за изработка на полисилициум соларни ќелии. Околу пет тони полисилициум е потребно за да се направи еден мегават на соларни модули.
Во моментов, солисиликонската соларна технологија опфаќа повеќе од половина од соларната енергија произведена на глобално ниво, додека моносилициската технологија придонесува за околу 35 проценти. Вкупно 90 отсто од сончевата енергија што ја користат луѓето се собира со технологија базирана на силикон.
Монокристалниот силициум е исто така критичен полупроводнички материјал кој се наоѓа во модерната електроника. Како супстрат материјал кој се користи во производството на транзистори на поле ефект (FETs), LED диоди и интегрирани кола, силикон може да се најде во скоро сите компјутери, мобилни телефони, таблети, телевизии, радија и други современи комуникациски уреди.
Се проценува дека повеќе од една третина од сите електронски уреди содржат полупроводничка технологија базирана на силициум.
Конечно, тврдиот легиран силициум карбид се користи во различни електронски и неелектронски апликации, вклучувајќи и синтетички накит, високотемпературни полупроводници, тврда керамика, алатки за сечење, кочни дискови, абразиви, непропустливи елеци и грејни елементи.
Извори:
Кратка историја на челични легури и производство на феролегури.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Холапа, Лори и Сепо Лухенкилпи. -
За улогата на феролегури во производство на челик. 9-13 јуни 2013 година. Тринаесеттиот Меѓународен конгрес на феролегури. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Следете Теренс на Google+