سیلیکون و مینرال های آن (2)

چیپ های میکروپروسسور

برای این کاربردها، یک ماده ی نیمه رسانای خالص پیش فرایند دوپ، مورد نیاز است. در واقع میزان ناخالصی های این مواد، باید به خوبی کنترل شوند. هر عیب کریستالی مانند مرزدانه و نابجایی، ممکن است موجب ایجاد ممانعت در برابر حامل های بار شود. در سیلیکون نیمه کریستالی که حاوی کریستال ها یا دانه های کوچکتر هستند، یک چنین عیوبی متداول می باشد. بنابراین، تک کریستال های تولید شده از سیلیکون حاوی مواد دوپ کننده، ماده ای است که در این کاربردها، ترجیح داده می شود. علت این ترجیح، در واقع سهولت تولید یک تک کریستال سیلیکون با خلوص بالا (بالاتر از 99.9999 %) می باشد. این کار با استفاده از روش چکرالسکی و یا روش تصفیه ی ذوب ناحیه ای، انجام می شود.
روش چکرالسکی بر اساس کشش سطحی کار می کند. سیلیس ابتدا در بوته ذوب می شود و یک دانه از کریستال سیلیس به انتهای یک میله ی چرخنده بسته شده و بر روی سطح فلز مذاب، چرخانده می شود. کشش دانه بر روی بوته ی مذاب، موجب می شود تا کریستالی از جنس سیلکون تشکیل شود. این فرایند ادامه می یابد تا کل فلز مذاب، وارد کریستال جامد شود. اندازه ی کریستال، در این حالت، به مقدار فلز مذاب موجود در این بوته، وابسته است. در روش تصفیه ی ناحیه ای، یک کریستال حرارت داده می شود و ناحیه ی تماسی از این کریستال، ذوب می شود. یک حالت تک کریستال در این نقطه تشکیل می شود و ادامه می یابد تا به آخر میله برسد. بعد از اینکه میله خارج می شود، سرد شده و به صورت یک میله ی تک کریستال در می آید. در روش ناحیه ی مذاب، برخلاف روش چکرالسکی، بوته مورد نیاز نمی باشد و از این رو، شانس ورود هیچ ناخالصی از بوته به داخل تک کریستال، وجود ندارد. در هر دو روش، ناخالصی های ذاتی میله ی سیلکونی اولیه، به سمت انتهای میله، حرکت می کنند.
مهم ترین کاربرد مربوط به نیمه رساناهای سیلیکونی، در تولید دیودها، تریودها (ترانزیستورها) و میکروپروسسورها می باشد. این قطعات در مدارهای مجتمع، کاربرد دارند. از این مدارهای مجتمع در بسیاری از تکنولوژی های بر پایه ی چیپ، استفاده می شود. در مورد میکروپروسسورهای سیلیکونی، اجزای اصلی، عبارتند از:
1) یک ویفر سیلیکونی دوپ شده ی بسیار نازک
2) یک زیرلایه ی عایق که معمولا از جنس دی اکسید سیلیکون است و میان ویفر سیلیکونی و منبع الکتریسیته قرار دارد.
3) فلز مورد استفاده قرار جمع آوری بار و انتقال جریان
برای شروع، ویفرهای بسیار نازک بوسیله ی برش میله های سیلیکونی با سیم های ساینده، تولید می شوند. در این ویفرها یک لایه ی دی اکسید سیلیکون، بوسیله ی قرار گیری این ویفرها در حرارت، ایجاد می شود. در این ویفرها، یک مدار الکتریکی پیش طراحی شده، به صورت یک ماسک سوار می شود و این لایه ی دی اکسید سیلیکونی، با استفاده از فرایند فوتولیتوگرافی، اچ می شود. این کار موجب می شود تا الگوی مدار در این بخش عایق ایجاد شود. اتم های فلزی مانند آلومینیوم، مس و یا طلا، بر روی مدار سیلکونی رسوب داده می شود تا بدین صورت بار الکتریکی توانایی عبور کردن داشته باشد. بر روی یک ویفر منفرد، معمولا صدها عدد از این میکروپروسسورها، ایجاد می شود و این ویفر را به یک چیپ IC تبدیل می کند.

سلول های خورشیدی و فوتوولتایی

در این کاربرد، هم خاصیت فوتوولتایی و هم خاصیت نیمه رسانایی سیلیکون، مورد استفاده قرار گرفته است. یک ویفر نازک خالص، از یک میله ی تک کریستال با خلوص بالا برش داده می شود و سپس اتم های بور، به داخل آن دوپ می شود. دلیل اینکه نیاز است این صفحات این خلوص را داشته باشند، این است که ناخالصی از عبور جریان جلوگیری می کند. یک لایه ی سیلیکون نیترید ضد رفلکت با ضخامت چند صد نانومتر، بر روی سطح در ارتباط با هوا، رسوب داده می شود و بر روی سطح دیگر، خمیر نقره مالیده می شود تا بدین صورت جریان ایجاد شده، به نقطه ی مورد نظر، انتقال یابد. چند تا از این سلول ها، به هم متصل می شوند تا یک پنل خورشیدی ایجاد شود.
برای تولید سلول های خورشیدی با توان پایین که در ساعت ها، ماشین حساب ها و کاربردهای مشابه، استفاده می شود، سیلیکون آمورف بر روی صفحه ای شیشه ای، پلاستیکی و یا فلزی پوشش داده می شود.

آلیاژها

آلیاژهای سیلیکون با فلزات، امروزه، در کوره های قوس الکتریکی، تولید می شوند. در این کوره ها، اکسید فلز به پودر کوارتز اضافه می شود و فرایند الکترولیز به روشی مشابه ادامه می یابد تا بدین صورت، فلز سیلیکون، تولید شود.
1. فروسیلیکون: در میان آلیاژهای سیلیکون، فروسیلیکون (FeSi) از این لحاظ خاص است که مانند سایر آلیاژها، یک محصول نهایی نیست و در واقع یک عامل برای اثرگذاری بر روی اکسیژن گیری در ذوب فولاد می باشد. به عنوان یک افزودنی آلیاژسازی برای آهن کم کربن، سیلیکون یک رسانای الکتریکی ضعیف است که موجب افزایش میزان مقاومت می شود و در نتیجه، موجب مینیمم شدن اتلاف های ناشی از جریان ادی و افزایش نفوذپذیری مغناطیسی می شود. صفحات فروسیلیکون با برخی مواد عایق (مثلا اکسید آهن) به صورت لایه ای قرار داده می شود و به عنوان هسته های ترانسفورماتورها، مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع عایق های این بخش، موجب کاهش اتلاف های جریان ادی می شود. فروسیلیکون استاندارد حاوی ماکزیمم 5 % سیلیکون، حداقل 95 % آهن و مقادیر اندکی کربن می شود.
یک نوع خاص از فروسیلیکون که حاوی 84 تا 86 % آهن و 14-16 % سیلیکون است، برای محیط های مورد استفاده در جداسازی الماس از کیمبرلیت، استفاده می شود. فروسیلیکون، کمک می کند تا وزن مخصوص محیط در سطح 2.7 تا 3.0 حفظ شود.
یک نوع دیگر از فروسیلیکون که حاوی 70 تا 75 % سیلیکون است، در صنعت مانند تولید سیلیکون عنصری، ترجیح داده می شود. این ماده برای تلقیح در ریخته گری آهن و به عنوان یک افزودنی زمان دهنده در فولاد سازی استفاده می شود.
فروسیلیکون در یک کوره ی قوس الکتریکی تولید می شود. روش تولید این ماده، مشابه با بازیابی سیلیکون می باشد. در واقع در این روش، اکسید آهن با پودر کوارتز زینتر شده، مخلوط می شود و الکترولیز می شود. به دلیل اینکه اکسید آهن مقاومت خوبی در برابر جریان الکتریکی دارد، این فرایند به طور قابل توجهی به میزان پودر بودن مواد وابسته می باشد.
با توجه به باستفاده های صنعتی، کوارتز مورد نیاز برای تولید فروسیلیکون، باید بیش از 98 % سیلیس داشته باشد و میزان آلومینای ان کمتر از 0.4 باشد و همچنین میزان اکسید آهن، اکسید کلسیم و اکسید منیزیم موجود در آن، نباید از 0.2 % بیشتر باشد. مواد فسفردار و آرسنیک دار نیز نباید در کوارتز مورد استفاده وجود داشته باشند. نقطه ی ذوب مربوط به آلومینا، بسیار بالاست و در صورت وجود کلوخه های این ماده در بچ اولیه، میزان مصرف انرژی در این کوره ها، بیشتر می شود. اکسید کلسیم و اکسید منیزیم موجب می شوند تا این ماده با سیلیس واکنش دهد و سیلیکات تشکیل دهد. در واقع هر چه میزان این دو اکسید بیشتر باشد، میزان سیلیس مصرفی نیز بیشتر می شود. اکسید آهن نی یک ماده ی عایق الکتریکی است و حضور آن در مواد اولیه، موجب افزایش مشکلات مربوط به انتقال مناسب جریان الکتریکی می شود.
2. سیلیکومنگنز: سیلیکومنگنز در واقع یک محصول جدید از سیلیکون است که به عنوان یک جایگزین فرومنگنز، تولید شده است. ترکیب نمونه وار این آلیاژ، حاوی 50-74 % منگنز، 14-28 % سیلیکون، ماکزیمم 2.5 % کربن، 0.3 % ماکزیمم فسفر و 0.05 % ماکزیمم گوگرد می باشد. سیلکومنگنز همچنین به عنوان اکسیژن گیرنده و گوگرد گیرنده در ذوب فولاد عمل می کند و علاوه بر این، موجب تشکیل آلیاژهای فولاد مقاوم در برابر منگنز و سیلیکون می شود. به طور کلی، مصرف این آلیاژ، در حدود 10 کیلوگرم بر هر تن فولاد می باشد. برخی اوقات، این ماده تنها برای اکسیژن گیری و یا گوگرد گیری استفاده می شود. در این حالت، میزان مصرف این ماده، در حدود 5-6 کیلوگرم بر تن فولاد تولیدی می باشد. یک نوع از آلیاژ فولاد که هم حاوی سیلیکون و هم منگنز است، فروسیلکو- کلسیم- منگنز (Fe-Si-Ca-Mn) نامیده می شود. این آلیاژ حاوی 15 % منگنز است و میزان سیلیکون آن نیز متغیر می باشد.
3. اسپیجلیس (Spiegeleise): این ماده برخی اوقات، به عنوان سیلکو اسپیجلیس (silicospiegeleisen) نامیده می شود. این ماده نیز به منظور جایگزینی با فرومنگنز و برای کاربردهای خاص، توسعه یافته است. ترکیب نمونه وار این آلیاژ، عبارتست از 20-22 % منگنز، 65 % آهن و 11 % سیلیکون.
4. سایر آلیاژهای حاوی سیلیکون:
اسیلاتورهای با فرکانس بالا (کوارتز کریستالی)
در صنعت اکوستیک، یک وسیله ی اسیلاتور در واقع عملکرد انتقال و دریافت انرژی حامل (موج های الکترومغناطیسی در مورد ارتباطات رادیویی و یا جریان های تغییر دهنده ی الکتریکی، در مورد اسپیکرهای صدا، ژنراتورهای التراسونیک و میکرفون ها) را بر عهده دارد. موج های صدا به حامل هایی انتقال می یابد که موجب تحریک اسیلاتور می شود. پیش از سال 1921، اسیلاتورهای نوع مداری، در رادیوها و تلفن های قابل حمل، استفاده می شد. این قطعات نسبت به اختلال های خارجی، حساس هستند و موجب می شوند تا تبدیل انرژی صدا به انرژی حامل ها و به طور عکس، تبدیل انرژی حامل ها به انرژی صدا، با مشکل مواجه شود. بنابراین، عدم تطابق فرکانس که در واقع بین فرکانس های انرژی صدا و انرژی حامل ها رخ می دهد، منجر می شود تا فرکانس های صدایی، به صورت پیوسته تغییر کند. این مشکل مشکلاتی در زمینه ی پایدارسازی فرکانس ایجاد می کند.
در سال 1921، یک سری وسایل اسیلاتو بر پایه ی خواص پیزوالکتریکی کوارتز در ایالات متحده، توسعه یافته است. این قطعات، رزوناتور پیزوالکتریک نامیده می شود. مقادیر Q بالای مربوط به کوارتز، موجب می شود تا این قطعه بتواند انرژی صدا را به حامل های انرژی تبدیل کند و سپس انرژی صدا را نیز به طور مناسبی دریافت و تبدیل کند. در یک مبدل، فشار نوسانی یک موج صدا، موجب می شود تا پالس های الکتریکی ایجاد شود در حالی که در گیرنده، یک اثر مخالف، وجود دارد. این وسیله، کاربردهای گسترده ای در زمینه ی کاربردهای نظامی (تلفن های قابل حمل) پیدا کرده است و همچنین در ترانسدیوسرهای مورد استفاده در تبدیل پالس های الکتریکی به لرزش های مکانیکی نیز کاربرد دارد.
کریستال های کوارتز بدون عیب و بدون رنگ برای این کاربرد، مورد نیاز است زیرا فاکتور Q به طور قابل ملاحظه ای به این ویژگی ها، بستگی دارد. از یک چنین کریستال هایی، صفحات گرد یا مستطیلی با ضخامت کمتر از یک میلی متر و قطر 12 تا 18 میلی متر، بریده می شود. یک چنین صفحه هایی، در بیشتر کاربردها، استفاده می شود اما در برخی کاربردها نیز از میله های کوارتزی استفاده می شود.

بلوک های کوارتزی

بلوک های کوارتزی در طی دهه ی 1920 و 1930، توسعه و بهبود یافته اند. در این کاربرد، هم خاصیت پیزوالکتریک و هم خاصیت نیمه رسانایی سیلیکون، مفید می باشد. اصل مورد استفاده در این قطعات در واقع، شامل تهییج صفحات کوارتزی بوسیله ی اعمال ولتاژهای متغیر به آن می باشد. ولتاژ متغیر بوسیله ی یک ترانزیستور سیلیکونی تولید می شود و به صورت مستقیم به این بخش، اعمال می شود. تحت اثر این انرژی متغیر، صفحات کوارتز پیزوالکتریکی نوسان کرده و این کار را تا زمانی ادامه می دهد که منبع اصلی انرژی خالی شود. حرکت نوسانی صفحه ی کوارتزی، موجب ایجاد جریان های الکتریکی متغیر می شود که این جریان ها، قابلیت شناسایی دارد. در مورد بلوک های کوارتزی، ضخامت و سایر ابعاد صفحه ی کوارتزی، به گونه ای طراحی می شود که فرکانس نوسانات با سیستم، تطابق داشته باشد.
بنابراین، عملکرد این صفحه ی کوارتزی، نه تنها ایجاد نوسانات می باشد، بلکه همچنین اصلاح فرکانس نوسانات در مواقع ضروی می باشد. صفحه با ضخامت مناسب و ابعاد مطلوب، بریده می شوند و یک کریستال بدون عیب ایجاد می شود. برای تولید چیپ های سیلیکونی (تراتزیستورها) نیز یک کوارتز کریستالی با خلوص بسیار بالا مورد نیاز است.

فندک گازی

خاصیت پیزوالکتریکی کوارتز موجب شده است تا از این ماده، در تولید فندک های گازی استفاده شود. این بخش ها، موجب ایجاد فرکانس های بالایی می شود که برای آتش گرفتن گاز، ضروری است.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.