Yarim metall silikonga qarash
Silikon metall - porloq, quyosh va mikrochiplarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan kulrang va porloq yarimo'tkazuvchi metalldir.
Silikon er qobig'ining ikkinchi qismidir (faqat kislorod ortida) va koinotdagi sakkizinchi eng ko'p tarqalgan element. Aslida, er qobig'ining og'irligi qariyb 30 foizini silikonga bog'lash mumkin.
14 atomik elementga ega bo'lgan element tabiiy ravishda silikat minerallarida, shu jumladan kalsiy va qumtosh kabi umumiy jinslarning asosiy tarkibiy qismlari bo'lgan silika, dala shpati va slyuda sodir bo'ladi.
Yarim metall (yoki metalloid ), silikon metallar va metall bo'lmagan xususiyatlarga ega.
Suv singari - lekin ko'pchilik metallardan farqli o'laroq - silikon kontsentratlar suyuqlik holatida kuchayadi va kuchayadi. Bu nisbatan yuqori erish va qaynoq nuqtalariga ega va kristall holga kelganda, brilliant kubik kristalli tuzilish hosil qiladi.
Yarimo'tkazgich sifatida kremniyning roli va uning elektronikada qo'llanilishi tanqidiy element bo'lib, kremniyning boshqa elementlar bilan bog'lanishiga imkon beruvchi to'rt valentlik elektronni o'z ichiga oladi.
Xususiyatlar:
- Atom belgilari: Si
- Atom raqami: 14
- Elementlar kategoriyasi: Metalloid
- Zichlik: 2,329g / sm3
- Erish nuqtasi: 2577 ˚ F (1414 ˚ C)
- Tiklanish nuqtasi: 5909 ° F (3265 ° S)
- Moh ning qattiqligi: 7
Tarix:
Shvetsiyalik kimyogar Jons Yekaterin Berzerlius 1823 yilda birinchi marta silikonni ajratib olish bilan hisoblangan. Berzerlius bu kaliy florosilikat bilan bir qatorda metall kaliyni (faqat o'n yil oldin ajratilgan edi) isitib, buni amalga oshirdi.
Natijada amorf silikon mavjud edi.
Biroq, kristalli silikon ishlab chiqarish ko'proq vaqtni talab qildi. Kristalli silikonning elektrolitik namunasi yana o'ttiz yil davomida amalga oshirilmaydi.
Kremniyni birinchi tijoriy ishlatish ferrosilikon shaklida bo'lgan.
Genri Bessemer 19-asrning o'rtalariga kelib po'lat ishlab chiqarish sanoatini modernizatsiyalashdan so'ng po'lat metallurgiya va po'lat ishlab chiqarishga oid texnologiyalarga katta qiziqish uyg'otdi.
1880-yillarda ferrosilikonning birinchi sanoat ishlab chiqarilishi vaqtida temir va deoksidlovchi po'latda süniltiliğin yaxshilanishi uchun silikon ahamiyati juda yaxshi tushunilgan.
Erta ferrosilikon ishlab chiqarish silika tarkibidagi ko'mirni kamaytirish orqali yuqori o'choqlarda amalga oshirildi, natijada kumushli temir, 20 foizgacha silikon tarkibidagi ferrosilikon paydo bo'ldi.
20-asrning boshlarida elektr dyuymli pechlarni ishlab chiqarish nafaqat po'lat ishlab chiqarishga , balki ferrosilikon ishlab chiqarishga ham imkon berdi.
1903 yilda ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) ni ishlab chiqarishga ixtisoslashgan guruh Germaniyada, Fransiyada va Avstriyada ish boshlagan va 1907 yilda AQSHda birinchi savdo kremniy zavodi tashkil etilgan.
19-asrning oxiriga qadar silikon birikmalarini ishlab chiqarish uchun yagona qo'llaniladigan po'latdan ishlov berish emas edi.
1890 yili sun'iy olmos ishlab chiqarish uchun Eduard Gudrich Acheson kukunli kukunli alyuminiy silikatni qizdirdi va tasodifan silikon karbid (SiC) chiqarib oldi.
Uch yil o'tgach, Acheson o'zining ishlab chiqarish uslubini patentladi va abraziv mahsulotlarni ishlab chiqarish va sotish maqsadida Carborundum kompaniyasini (karborundum silikon karbid uchun umumiy nom bo'lgan) asos solgan.
XX asrning boshlarida silikon karbidning Supero'tkazuvchilar xususiyatlari ham amalga oshirildi va bu eritma kema radiosida detektor sifatida ishlatildi. 1906 yilda GW Pickardga silikon kristall detektorlari uchun patent berildi.
1907 yilda birinchi yorug'lik chiqaruvchi diod (LED) silikon karbidli kristallga kuchlanish orqali yaratildi.
1930-yillar mobaynida silikondan foydalanish silan va silikonlarni o'z ichiga olgan yangi kimyoviy mahsulotlarning rivojlanishi bilan ortdi.
O'tgan asrdagi elektronikaning o'sishi ham kremniy va uning o'ziga xos xususiyatlariga bog'liq edi.
1940-yillarda germanyumga asoslangan birinchi transistorlar - zamonaviy mikrokiplar uchun kashshoflar yaratilishiga qaramay, silikon o'zining metalloid kuzinasini yana bardoshli substrat yarıiletkali material sifatida egallab turgan edi.
Bell Labs va Texas Instruments kompaniyasi 1954 yilda silikon asosidagi tranzistorlarni tijoriy ishlab chiqarishga kirishdi.
Birinchi kremniyli integral sxemalar 1960-yillarda ishlab chiqarilgan va 1970-yillarda silikon tarkibidagi protsessorlar ishlab chiqildi.
Kremniy asosidagi yarimo'tkazgich texnologiyasi zamonaviy elektronika va hisoblash tizimini shakllantiradi, shuning uchun biz ushbu sanoat uchun "Silikon vodiysi" deb atalgan faoliyat markaziga murojaat qilsak ajablanmasligimiz kerak.
(Silikon vodiysi tarixi va rivojlanishi va mikrochip texnologiyasini batafsil o'rganish uchun "American Trial" nomli Silikon vodiysi hujjatli filmini tavsiya qilaman).
Birinchi tranzistorlarni ochib bo'lgach, Bell Labs'ning silikon bilan ishlashi 1954 yilda ikkinchi yirik kashfiyotga olib keldi: birinchi kremniy fotovoltaik (quyosh) hujayra.
Bundan oldin, erdan kuch yaratish uchun quyosh energiyasidan foydalanish haqida o'ylash, ko'pchilik tomonidan imkonsiz edi. Biroq to'rt yil o'tgach, 1958 yilda kremniyli quyosh kameralari bilan ishlaydigan ilk sun'iy yo'ldosh Yerni aylanib chiqdi.
1970-yillarga kelib, quyosh texnologiyalari bo'yicha tijorat ilovalari offshor neft qurilmalari va temir yo'l kesishmalarida yorug'likni kuchaytirish kabi yerdagi amaliyotlarga o'tdi.
Oxirgi ikki o'n yillikda quyosh energiyasidan foydalanish chidamli darajada o'sdi. Bugungi kunda kremniy asosidagi fotovoltaik texnologiyalar global quyosh energiyasi bozorining qariyb 90 foizini tashkil etadi.
Ishlab chiqarish:
Har yili silikonning katta qismi - taxminan 80 foiz - temir va po'latdan ishlov berish uchun ferrosilikon sifatida ishlab chiqariladi. Ferrosilicon har qanday joyda, har qanday joyda, 15% dan 90% gacha silikon tarkibiga ega bo'lishi mumkin.
Temir va kremniyning qotishmasi pastga tushirilgan elektr arazli pech yordamida quyqani eritish orqali chiqariladi. Silika boy javhari va kokslangan ko'mir (metallurgik ko'mir) kabi uglerod manbai eziladi va o'choqqa temir temir bilan to'ldiriladi.
1900 ° C (3450 ° F) dan yuqori haroratlarda uglerod oksidi gazini hosil qiladigan uglerod oksidi bilan reaksiyaga kiradi. Qolgan temir va silikon, shu bilan birga, eritilgan ferrosilikonni tayyorlash uchun birlashadi, bu esa o'choq bazasini tejash orqali to'planishi mumkin.
Sovutilgan va sertleştirildikten so'ng, ferrosilikon, keyin jo'natildi qilinadi va temir va po'lat ishlab chiqarishda to'g'ridan-to'g'ri ishlatiladi.
Xuddi shu usul, temir qo'shilmasdan, metallurgiya kremniyasini ishlab chiqarish uchun ishlatiladi, bu esa 99% dan ortiqdir. Metallurgik silikon ham temir eritmasida, shuningdek, alyuminiy qotishmalari va silan kimyoviylarini ishlab chiqarishda qo'llaniladi.
Metallurgik silikon qotishmada mavjud bo'lgan temir, alyuminiy va kaltsiyning ifloslanish darajalari bo'yicha tasniflanadi. Masalan, 553 silikon metall har bir temir va alyuminiyning 0,5 foizdan kamini va 0,3 foizdan kam kaltsiyni o'z ichiga oladi.
Har yili global miqyosda 8 million tonna ferrosilikon ishlab chiqariladi, Xitoy esa bu ko'rsatkichning 70 foizini tashkil qiladi. Katta ishlab chiqaruvchilar Erdos metallurgiya guruhi, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials va Elkem guruhlarini o'z ichiga oladi.
Har yili 2,6 million metrik tonna metallurgik silikon - jami tozalangan silikon metallning 20 foizga yaqini ishlab chiqariladi. Shunga qaramay, Xitoy ushbu mahsulotning qariyb 80 foizini tashkil qiladi.
Ko'pgina kishilar uchun ajablantiradigan narsa shundaki, kremniyning quyosh va elektron navlari barcha kremniy ishlab chiqarilishining oz miqdorini (kamida ikki foizdan kam) tashkil qiladi.
Quyosh gradusli kremniyli metallga (polisilikon) o'tish uchun tozalik 99,9999% (6N) sof kremniyga ko'tarilishi kerak. Ushbu uch usuldan biri orqali amalga oshiriladi, eng keng tarqalgan Siemens jarayoni.
Siemens jarayoni trichlorosilan deb nomlanuvchi uchuvchi gazning kimyoviy bug'lanishini o'z ichiga oladi. 1150 ° C (2102 ° F) da triklorosilan bir tayoqning oxiriga o'rnatilgan yuqori saflıkta silikon urug'idan puflandi. U o'tishi bilan, gazdan yuqori tozalovchi silikon urug'ga biriktiriladi.
Suyuq yotoqli reaktor (FBR) va yangilangan metallurgiya (UMG) silikon texnologiyasi fotovoltaik sanoati uchun mos polysiliconni ishlab chiqarish uchun ham ishlatiladi.
2013-yilda 230,000 metrik tonna polysilicon ishlab chiqarildi. GCL Poly, Wacker-Chemie va OCI kompaniyalari etakchi ishlab chiqaruvchilardir.
Nihoyat, elektrokimyoviy kremniyni yarimo'tkazgich sanoatiga va ma'lum fotovoltaik texnologiyalarga mos bo'lishini ta'minlash uchun polysilicon Czochralski jarayoni orqali ultra toza monokristalli kremniyga aylantirilishi kerak.
Buning uchun polysilicon atmosfera sharoitida 1425 ° C (2597 ° F) darajasida eritiladi. Cho'zga qo'yilgan urug 'kristal eritilgan metallga botiriladi va asta-sekin aylanadi va olib tashlanadi va silikonning urug'lik materialida o'sishi uchun vaqt beradi.
Olingan mahsulot, 99,999999999 (11N) foizga sof darajada yuqori bo'lishi mumkin bo'lgan yagona kristalli silikon metallning bir novda (yoki boule). Ushbu rod, kerak bo'lganda, kvant mexanik xususiyatlarini chiroyli qilish uchun talab qilingan holda, bor yoki fosforli bilan biriktirilishi mumkin.
Monokristall novda mijozlarga o'xshash yoki gofretlarga bo'linib, maxsus foydalanuvchilar uchun parlatılmış yoki dokulu bo'lishi mumkin.
Ilovalar:
Taxminan o'n million metrik tonna ferrosilikon va silikon metalni har yili qayta ishlashga topshirilsa-da, tsellyuloza ishlatiladigan silikonning katta qismi tsement, harçlar va keramikalardan shisha va shishadan har bir narsada ishlab chiqarishda ishlatiladigan silikon minerallar shaklida qo'llaniladi. polimerlar.
Ferosilikon, yuqorida aytib o'tilganidek, metall silikonning eng ko'p ishlatiladigan shakli hisoblanadi. Taxminan 150 yil oldin birinchi foydalanishdan beri ferrosilikon uglerod va zanglamaydigan po'latdan ishlab chiqarishda muhim deoksidlovchi agent bo'lib qoldi. Bugungi kunda temir izotopi ferrosilikonning eng yirik iste'molchisi bo'lib qolmoqda.
Ferrosilicon, po'latdan ishlov berishdan tashqari, bir qator foydalanishga ega. Magnezium ferrosilikon ishlab chiqarishda oldindan qotishma, sfero temir ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan noduler, shuningdek, yuqori saflıkta magneziyni tozalash uchun Pidgeon jarayonida.
Ferrosilikon shuningdek issiqlik va korroziyaga chidamli ferros silikon qotishmalarini, shuningdek, elektromotorlar va transformator yadrolari ishlab chiqarishda ishlatiladigan silikon po'latni tayyorlash uchun ham ishlatilishi mumkin.
Metallurgik silikon po'latdan ishlov berishda, shuningdek, alyuminiy to'qimalarda qotishtiruvchi modda sifatida ishlatilishi mumkin. Aluminiy-kremniy (Al-Si) avtomobil qismlari toza alyuminiydan quyiladigan qismlarga nisbatan engil va kuchliroqdir. Dvigatel bloklari va shinalar kabi avtomobil qismlari eng ko'p quyma alyuminiy silikon qismlari hisoblanadi.
Metallurgik silikonning deyarli yarmi kimyo sanoati tomonidan fumed silika (qalinlashtiruvchi razvedka va qurituvchi), silan (birlashtiruvchi modda) va silikon (yopishtiruvchi moddalar, yopishtiruvchi moddalar va yog'lar) qilish uchun ishlatiladi.
Fotovoltaik gradusli polisilon asosan polikilizon quyosh pillerini ishlab chiqarishda ishlatiladi. Bir megavattli quyosh modullarini ishlab chiqarish uchun taxminan besh tonna polietilin kerak.
Hozirgi kunda polysilicon quyosh texnologiyasi global miqyosda ishlab chiqarilgan quyosh energiyasining yarmidan ko'pini tashkil qiladi, monosilikon texnologiyasi taxminan 35 foizni tashkil etadi. Odamlar tomonidan qo'llaniladigan quyosh energiyasining 90 foizi silikon asosidagi texnologiya asosida to'planadi.
Monokristalli kremniy, shuningdek, zamonaviy elektronikada topilgan juda muhim yarimo'tkazuvchi material hisoblanadi. Dala effektlari tranzistorlar (FETs), LEDlar va integral mikrosxemalar ishlab chiqarishda ishlatiladigan sintetik material sifatida silikon deyarli barcha kompyuterlarda, mobil telefonlar, planshetlar, televizorlar, radiolar va boshqa zamonaviy aloqa qurilmalarida mavjud.
Barcha elektron qurilmalarning uchdan bir qismidan ko'pi silikon asosidagi yarimo'tkazgichli texnologiya mavjudligi taxmin qilinadi.
Nihoyat, qattiq qotishma silikon karbid turli xil elektron va elektron bo'lmagan dasturlar, jumladan, sintetik zargarlik buyumlari, yuqori haroratli yarimo'tkazgichlar, qattiq sopol idishlar, kesish asboblari, tormoz disklari, abrazivlar, o'qlarga bardoshli yeleklar va isitish elementlarini ishlatadi.
Manbalar:
Chelik Alyuminatsiyasi va Ferroalloy ishlab chiqarishning qisqacha tarixi.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri va Seppo Louhenkilpi. مور
Ferforeloylarning roldagi rolida. 2013-yil 9-13-iyun. XII Xalqaro Ferroalyajlar Kongressi. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Google+ orqali Terencega ergashing