צורן

תכונות כלליות

בצורתו הגבישית, לצורן צבע אפור כהה וברק מתכתי. זהו יסוד אדיש יחסית מבחינה כימית, הוא מגיב עם הלוגנים ומתכות אלקליות, אך אינו מושפע מחומצות (פרט לתערובת חומצה חנקתית וחומצה הידרופלואורית). צורן טהור מעביר 95% מתחום התת-אדום. בצורה זו הוא נמצא לעיתים רחוקות בטבע, ובדרך-כלל מופיע כצורן דו-חמצני (SiO₂) הקרוי גם "סיליקה" או כתרכובות של סיליקון, חמצן ויסודות נוספים המכונות סיליקטים.

כמוליך למחצה

ברוב המקרים כאשר מתייחסים לצורן בהקשרו כמוליך למחצה, מדובר על חד-גביש של צורן. הצורן הוא בעל מבנה גבישי המכונה מבנה יהלום. לחד גביש סיליקון פער אנרגיה לא ישיר של 1.12 אלקטרון וולט בטמפרטורת החדר. פער האנרגיה הלא-ישיר מהווה חיסרון בהתקנים אלקטרו-אופטיים, ואכן ליישומים כגון לייזרים, גלאים, נורות LED ועוד מעדיפים לפעמים להשתמש בחלופות יקרות יותר כגון מוליכים למחצה מורכבים המבוססים למשל על גליום ארסניד, שלהם פער אנרגיה ישיר. פער האנרגיה של הסיליקון תלוי בטמפרטורה (במעלות קלווין) באופן הבא:
צורן נקי מאוד, המכונה גם צורן אינטרינזי, הוא בעל התנגדות חשמלית סגולית גבוהה מסדר גודל של , הנובעת מריכוז נמוך מאוד של נושאי מטען חופשיים, מסדר גודל של 10¹⁰ נושאי מטען לסמ"ק. לצורן נוהגים להוסיף מזהמים בריכוזים נמוכים מאוד על-מנת לכוונן את תכונותיו החשמליות בתהליך הנקרא אילוח, או בשמו הנפוץ יותר סימום (doping). הזיהומים מכונים מאלחים או מסממים (dopants). המאלחים הנפוצים ביותר בסיליקון הם היסודות בורון, ליצירת צורן מסוג P, והיסודות זרחן וארסן המשמשים ליצירת צורן מסוג N. באמצעות אילוח ניתן להגדיל את מוליכות הצורן פי מיליארד ויותר.

שימושים

תחמוצות צורן הן המרכיב העיקרי בזכוכית, מלט וקרמיקה. בנוסף הצורן מרכיב בסיליקונים (Silicone) ופולימרים על בסיס צורן.
בצורתו החד-גבישית הצורן הוא המוליך למחצה החשוב והנפוץ ביותר בשימוש כיום, ומהווה את הבסיס לרוב השבבים האלקטרוניים.
סיליקון משמש גם בתאים סולאריים ממגוון סוגים, הן בצורתו החד-גבישית, וגם במבנה אמורפי (a-Si:H). למרות שהצורן פחות יעיל ממוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה ישיר בתאים סולאריים, מחירו הנמוך יחסית ובשלות תהליכי הייצור הופכים אותו לאטרקטיבי כלכלית ביישומים רבים של אנרגיה סולארית.

היסטוריה

צורן זוהה לראשונה על ידי אנטואן לבואזיה ב-1787, וב-1800 הוגדר בטעות כתרכובת על ידי האמפרי דייווי. ב-1811 לואי ז'וזף גיי-ליסק ולואי ז'אק תנר (Louis Jacques Thénard) הכינו צורן לא טהור באמצעות חימום אשלגן וצורן ארבע פלואורי (SiF₄). בשנת 1824 הפיק יונס יעקב ברצליוס צורן טהור לאחר שזיקק את התוצר שקיבלו גיי-ליסק ולואי ז'אק תנר.
מכיוון שצורן הוא יסוד חשוב בתעשיית המוליכים למחצה וההיי-טק, נקרא אזור ההיי-טק בקליפורניה "עמק הסיליקון".

צורן בטבע

הצורן הוא היסוד השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ (אחרי חמצן), ומהווה 25.7% ממסתו. הצורן מופיע בחול, קוורץ, גרניט, בעיקר בצורת צורן דו-חמצני (הידוע גם בשם סיליקה) או סיליקטים (תרכובות של צורן, חמצן ומתכות שונות). המיקרוביולוג בנימין וולקני גילה כי צורן הוא מרכיב ביולוגי חיוני באצות.

טיהור

השימוש בצורן בתעשיית המוליכים למחצה דורש ייצור צורן טהור כמה שאפשר, שלא כבשימושים אחרים שבהם אפשר להסתפק באחוזי צורן נמוכים יחסית. שתי שיטות בולטות במיוחד:

טכניקה I

טכניקות טיהור צורן ראשוניות התבססו על העובדה שכשצורן ניתך ולאחר מכן מתמצק, המצב המוצק מכיל צורן טהור יותר מהמצב הנוזלי. הטכניקה הראשונה, שתוארה ב-1919 ושימשה בייצור מכ"ם במלחמת העולם השנייה, כללה ריסוק צורן גבישי לאבקה והשרייתו בחומצה. כשצורן נטחן לאבקה, חלקים מזהמים (מרכיבים שאינם צורן) מופנים כלפי הצד החיצוני של גרגרי האבקה ונשטפים עם החומצה.

טכניקה II

יותר קל לטהר צורן מתרכובות שלו מאשר מצורתו הגבישית. SiCl₄ וSiH₄ הן התרכובות השימושיות ביותר וכשהן במצב צבירה גז ונוגעות בצורן בטמפרטורה גבוהה, הן משתלבות איתו ויוצרות צורן טהור. בטכניקה הנפוצה ביותר, שנקראת תהליך סימנס, מוטות צורן טהורים נחשפים ל-HSiCl₃ גזי ב-1150°C. הצורן שבגז מצטרף למוטות הצורן בהתאם לתגובה הבאה:
בשיטה נוספת, הפיקה חברת דופונט צורן טהור ברמה גבוהה כשחשפו SiCl₄ לאבץ ב-950°C בהתאם לתגובה הבאה:
בסופו של דבר טכניקה זו נזנחה לטובת תהליך סימנס מכיוון שהייתה כרוכה בבעיות רבות.

אמצעי זהירות

מחלת ריאות בשם "צורנת" (או "סיליקוזיס") מופיעה אצל כורים, סתתים ושאר אנשים שעבדו ושאפו אבק סיליקה בכמויות גדולות.