Kremík (Si) — prvok č. 14: vlastnosti, výskyt a využitie v elektronike

Kremík (Si) — vlastnosti, výskyt a kľúčové využitie v elektronike a polovodičoch. Zistite, prečo je kremík základom počítačov, skla a minerálov.

Kremík je v periodickej tabuľke prvkov prvok č. 14. Jeho symbol je Si.

Kremík vyzerá ako kov, ale nerobí všetko, čo kov, napríklad veľmi ľahko vedie elektrický prúd. Je to metaloid. Kremík sa v dnešných počítačoch a prakticky v každom elektronickom zariadení používa vo veľkej miere. V počítačoch sa dá použiť aj germánium, ale kremík je ľahšie nájsť.

Na Zemi je veľa kremíka. Na pláži je kremík vo forme piesku. Piesok je zlúčenina kremíka najčastejšie vo forme oxidu kremičitého, nazývaného oxid kremičitý. Sklo sa vyrába zahriatím piesku (alebo oxidu kremičitého) na dostatočnú teplotu. Sklo môže mať rôzne farby pridaním farebných zlúčenín. Kremík tvorí aj množstvo rôznych hornín a minerálov, ktoré sú známe ako kremičitany.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

Kremík (Si) je pevný, sivý, krehký prvok s kovovým leskom. Jeho atómové číslo je 14, relatívna atómová hmotnosť približne 28,09 u. Bežné fyzikálne údaje:

• Hustota: ~2,33 g·cm−3
• Teplota topenia: ~1414 °C
• Teplota varu: ~3265 °C
• Elektrónová konfigurácia: [Ne] 3s2 3p2
• Bežné izotopy: 28Si (~92,2 %), 29Si (~4,7 %), 30Si (~3,1 %)

Kremík je tetravalentný a zväčša tvorí kovalentné väzby. V čistom monokryštalickom stave je polovodičom s nepriamym pásovým priepustom; šírka zakázaného pásma pri 300 K je približne 1,12 eV. Je relatívne dobrým tepelným vodičom a pri vyšších teplotách sa jeho vodivosť zvyšuje. V prirodzenej forme je krehký a ťažko kujné.

Vyskyt a ťažba

Kremík sa vyskytuje v prírode takmer výlučne v viazaných formách, najmä v oxidoch a kremičitanoch. Je to najhojnejší prvok v zemskej kôre po kyslíku (asi 25–28 % hmotnostne).

• Časté minerály: kremeň (SiO2), živce (kremičitany hliníka a ďalších prvkov), olivín, pyroxény a iné silikáty.
• Biologický výskyt: kremík je súčasťou schránok rozsiviek (diatómov) a niektorých rastlín.

Ťažba a spracovanie začína získaním oxidu kremičitého (kremeňa, piesku) a jeho redukciou (napríklad uhlíkom) na metalurgický kremík. Na elektronické aplikácie je potrebné ďalšie čistenie na vysokú čistotu (elektronický/solárny kremík).

Výroba a čistenie pre elektroniku

Pre elektronické súčiastky sa používa veľmi čistý monokryštalický kremík. Hlavné kroky:

• Redukcia SiO2 na surový kremík (metallurgický kremík).
• Prevod na polykrystalický vysokočistý kremík (polysilicon) – napr. Siemensovým procesom.
• Ďalšie čistenie a získanie monokryštálov metódami ako zone refining a ťahanie kryštálu (Czochralskiho proces) pre výrobu ingotov.
• Rezanie ingotov na kremíkové wafery, leštenie a príprava plochy pre fotolitografiu a dopovanie.

Využitie v elektronike

Kremík je základným materiálom modernej mikroelektroniky a jeho vlastnosti ho predurčujú na túto úlohu:

• Integrované obvody (IC): monokryštalické Si wafery sa používajú na výrobu tranzistorov, logických obvodov a pamätí. Technológia CMOS (complementary metal–oxide–semiconductor) je založená na kremíku.
• Tranzistory a MOSFET: kremík umožňuje tvorbu p- a n-typovej vodivosti pomocou dopovania prvkami ako bórom (B) pre p-typ a fosforom (P) alebo arzénom (As) pre n-typ.
• Oxid kremičitý (SiO2): prirodzená vrstva oxidu používaná ako izolant a gate-dieelektrikum v MOS technológii (hoci moderné procesy niekedy používajú high‑k materiály).
• Solárne články: väčšina fotovoltaických článkov je založená na monokryštalickom alebo polykrystalickom kremíku.
• Mikroelektromechanické systémy (MEMS): kremík je mechanicky a chemicky spracovateľný, čo umožňuje výrobu senzorov, akčných členov a mikromechanických štruktúr.
• Silicidy a polovodičové spojenia: silícidy (zlúčeniny kremíka s kovmi) sa používajú pre zlepšenie kontaktov v integrovaných obvodoch.

Kremík je preferovaný pred germániom vďaka dostupnosti, teplotnej stabilite, oxidačným vlastnostiam (tvorba kvalitného SiO2) a vhodnému pásovému priestoru pre bežné aplikácie.

Ďalšie využitia

• Výroba skla a keramík (z oxidu kremičitého).
• Zliatiny a kovové aplikácie (napr. hliník‑silikónové liatinové zliatiny používané v automobilovom priemysle).
• Silikóny (polyméry obsahujúce kremík) v medicíne, kozmetike, stavebníctve a priemysle.
• Technické kryštály ako karbid kremíka (SiC) – širokopásmový materiál pre vysokonapäťové a vysokoteplotné aplikácie.

Bezpečnosť a životné prostredie

V pevnom stave je kremík chemicky stabilný a pre väčšinu ľudí nie toxický. Nebezpečenstvo predstavuje predovšetkým jemný prach oxidu kremičitého (kremičitý prach), ktorý pri vdýchnutí môže spôsobiť ochorenie pľúc známu ako silikóza. Pri práci s kremíkovými práškami a pri ich spracovaní sú potrebné ochranné opatrenia a odsávanie prachu.

V oblasti udržateľnosti hrá kremík dôležitú rolu v obnoviteľných zdrojoch energie (fotovoltaika). Recyklácia solárnych panelov a energeticky efektívna výroba vysokočistého kremíka sú aktuálne oblasti výskumu.

Krátka historická poznámka

Kremík ako prvok bol identifikovaný a izolovaný v podstate začiatkom 19. storočia; významným priekopníkom bol švédsky chemik Jöns Jacob Berzelius, ktorý dal prvku meno od latinského "silicium". Postupne sa ukázalo, že má kľúčový význam pre modernú elektróniu a materiálové vedy.

Ak chcete vedieť viac o kremíku v konkrétnych aplikáciách (napríklad o výrobe waferov alebo dopovaní), môžem doplniť technickejšie detaily alebo ilustrovať procesy schémami a príkladmi z priemyslu.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to kremík?

Otázka: Aké je atómové číslo kremíka?

Otázka: Aký je symbol kremíka?

Otázka: Môže kremík dobre viesť elektrický prúd?

Otázka: Kde sa kremík bežne používa?

Otázka: Z čoho sa skladá kremík?

Otázka: Čo sú kremičitany?

Hľadajte podľa písmena