סיליקון חד-גבישי

סיליקון (צורן) חד-גבישי, הוא חומר הבסיס לרכיבים בדידים מבוססי סיליקון ומעגלים משולבים, המשמשים כמעט בכל הציוד האלקטרוני המודרני. סיליקון חד-גבישי משמש גם כחומר פוטו-וולטאי, בולע אור בייצור פאנלים סולאריים. סיליקון חד-גבישי מורכב מסיליקון שבו סריג הגביש של המוצק כולו הוא רציף וללא כל גבולות גרעין. ניתן להכין סיליקון חד-גבישי כמוליך למחצה פנימי המורכב רק מסיליקון טהור במיוחד, או שהוא יכול להיות מסומם על ידי תוספת של אלמנטים אחרים כמו בורון או זרחן כדי ליצור מוליך למחצה מאולח מסוג p או n. בשל תכונותיו המוליכות למחצה, סיליקון חד-גבישי הוא אולי החומר הטכנולוגי החשוב ביותר בעשורים האחרונים והוא הקנה לעידן הטכנולוגי הנוכחי את השם "עידן הסיליקון". זאת, מכיוון שזמינותו בעלות כלכלית הייתה חיונית לפיתוח המכשירים האלקטרוניים שעליהם מבוססת מהפכת האלקטרוניקה וטכנולוגית המידע של ימינו. סיליקון חד-גבישי שונה מאלטרופים אחרים של סיליקון, כגון סיליקון אמורפי שבו משתמשים בתאים סולאריים בשכבה דקה, וסיליקון רב-גבישי, אשר מורכב מגבישים קטנים של סיליקון. סיליקון חד- גבישי נוצר בדרך כלל על ידי שיטה הכוללת התכת סיליקון טהור מאוד (מאולח בחלקים בודדים למיליון) ושימוש בזרע ליזום היווצרות גביש יחיד רציף. תהליך זה מבוצע בדרך כלל באווירה אינרטית, כגון ארגון, ובכור היתוך אינרטי, כגון קוורץ, כדי למנוע זיהומים שישפיעו על אחידות הגביש. טכניקת הייצור הנפוצה ביותר היא שיטת צ׳וחרלסקי אשר בה טובלים זרע גבישי המעוצב כמוט בתוך הסיליקון המותך. לאחר מכן המוט נמשך לאט כלפי מעלה ומסובב בו זמנית, דבר המאפשר לחומר הנמשך להתמצק למוט גלילי חד-גבישי באורך של עד 2 מטר ובמשקל של כמה מאות קילוגרמים. ניתן להפעיל שדות מגנטיים לשליטה ולדיכוי של זרימה טורבולנטית, דבר המשפר את אחידות ההתגבשות. שיטה נוספת היא התכה אזורית, שבה מעבירים מוט סיליקון רב-גבישי דרך סליל חימום בתדר רדיו אשר יוצר אזור מותך מקומי, הצומח סביב זרע של מוט גבישי. בשיטת ברידגמן-סטוקברגר, מעבירים את כור ההיתוך דרך שיפוע טמפרטורה כדי לקרר אותו החל מתחתית כור ההיתוך שבה נמצא הזרע. מוט הסיליקון החד-גבישי שנוצר בשיטות הללו נפרס לפרוסות סיליקון, העוברות ליטוש המכשיר אותן לשימוש בייצור רכיבים אלקטרוניים שונים. בהשוואה ליצירת מטילים רב-גבישיים, ייצור הסיליקון החד-גבישי הוא איטי ויקר. עם זאת, הביקוש לסיליקון חד-גבישי ממשיך לעלות כיון שהיעדר גבולות גרגרים מאפשר זרימת מטען טובה יותר ומונע התאחות חורים-אלקטרונים, וכך מתאפשרים ביצועים משופרים של מעגלים משולבים ושל פאנלים סולאריים פוטו-וולטאיים. היישום העיקרי של סיליקון חד-גבישי הוא בייצור רכיבים בדידים ומעגלים משולבים. מטילים המיוצרים בשיטת צ׳וחרלסקי נפרסים לפרוסות סיליקון בעובי של כ־0.75 מ"מ המלוטשות לקבלת מצע סטנדרטי שטוח, שעליו בונים התקני מיקרו-אלקטרוניקה באמצעות תהליכי מיקרו-ייצור שונים, כגון אילוח, השתלת יונים, איכול, השקעת חומרים שונים, ופוטוליתוגרפיה. גביש רציף יחיד הוא קריטי לאלקטרוניקה, מכיוון שגבולות גרגרים, זיהומים ופגמים קריסטלוגרפיים יכולים להשפיע באופן משמעותי על המאפיינים האלקטרוניים המקומיים של החומר, אשר בתורם משפיעים על התפקוד, הביצועים והאמינות של התקני מוליכים למחצה על ידי הפרעה לפעולה התקינה שלהם. לדוגמה, ללא שלמות גבישית, יהיה כמעט בלתי אפשרי לבנות התקנים בשילוב גדול מאוד (VLSI), המכילים מיליארדי מעגלים מבוססי טרנזיסטור, שכולם חייבים לתפקד בצורה אמינה, והם משולבים לשבב יחיד כדי ליצור מעבד. לכן, תעשיית האלקטרוניקה השקיעה רבות במתקנים לייצור גבישים יחידים גדולים של סיליקון. בסיליקון חד-גבישי משתמשים גם להתקנים פוטו -וולטאיים (PV) בעלי ביצועים גבוהים. מכיוון שיש דרישות פחות מחמירות לגבי פגמים מבניים בהשוואה ליישומי מיקרו-אלקטרוניקה, סיליקון ברמה סולארית באיכות נמוכה יותר (Sog-Si) משמש לעיתים קרובות לתאים סולאריים. למרות זאת, התעשייה הפוטו-וולטאית המבוססת על סיליקון חד-גבישי נהנתה רבות מפיתוחן של שיטות ייצור מהירות יותר לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה. הסיליקון החד-גבישי מדורג אחר הסיליקון הרב-גבישי בתחום הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית. עליית קצב הייצור והפחתת עלויות היצור של סיליקון רב-גבישי הביאו לירידת נתח השוק של סיליקון חד-גבישי. בשנת 2013 היה לתאי השמש עם סיליקון חד-גבישי נתח שוק של 36%, שהתבטא בייצור של קיבולת פוטו-וולטאית בהיקף של 12.6 גיגה וואט שיא, אך נתח השוק ירד מתחת ל -25% עד 2016. למרות נתח השוק המופחת, הקיבולת הפוטו-וולטאית של סיליקון חד-גבישי שיוצר בשנת 2016 הייתה 20.2 גיגה-וואט שיא, קיבולת המבטאת עלייה משמעותית של הייצור הכולל של הסיליקון החד-גבישי. עם יעילות בצומת יחיד של 26.7%, הסיליקון החד-גבישי הוא בעל יעילות ההמרה הגבוהה ביותר מכל הטכנולוגיות הפוטו-וולטאיות המסחריות, מעל סיליקון רב-גבישי (22.3%) ומעל לתאים סולאריים של שכבה דקה המבוססות על תאי CIGS (21.7%), תאי CdTe (21.0%) ותאי (a-Si (10.2%. יעילות המודולים הסולאריים עבור סיליקון חד-גבישי חצתה את רף ה -20% בשנת 2012 והגיעה ל -24.4% בשנת 2016. היעילות הגבוהה נובעת בעיקר מהיעדר אתרי התאחות בגביש היחיד וקליטה טובה יותר של פוטונים בשל צבעו השחור, בהשוואה לגוון הכחול האופייני של סיליקון רב גבישי. מכיוון שתאי סיליקון חד-גבישי יקרים יותר מעמיתיהם הרב-גבישיים, תאי סיליקון חד-גבישי שימושיים ליישומים שבהם השיקולים העיקריים הם מגבלות על המשקל או על השטח הזמין, כגון בחלליות או בלוויינים המופעלים על ידי אנרגיה סולארית. ביישומים אילו ניתן לשפר עוד יותר את היעילות באמצעות שילוב עם טכנולוגיות אחרות, כגון תאים סולאריים רב שכבתיים. מלבד קצב הייצור הנמוך, ייצור סיליקון חד-גבישי כרוך גם בבזבוז חומר. יצירת פאנלים סולאריים חסכוניים בחלל מחייבת חיתוך הפרוסות העגולות (תוצר של המוטות הגליליים שנוצרו בתהליך צ׳וחרלסקי) לתאים מתומנים שניתן לארוז בצמוד זה לזה. החומר שנשאר אינו משמש ליצירת תאי פוטו-וולטאיים והוא מושלך או ממוחזר להתכה וייצור מוטות. יתר על כן, אף על פי שתאי סיליקון חד-גבישי יכולים לקלוט את רוב הפוטונים בתוך 20 מיקרומטר ממשטח האירוע, המגבלות על תהליך ניסור המטילים מביאות לעובי פרוסת סיליקון סביב 200 מיקרומטר. עם זאת, ההתקדמות הטכנולוגית צפויה להפחית את עובי פרוסת הסיליקון ל-140 מיקרומטר עד 2026. נחקרות שיטות ייצור אחרות, כגון גידול אפיטקסיאלי של פרוסה שטוחה, הכרוך בגידול שכבות גזיות על מצעי סיליקון רב-פעמיים. תהליכים חדשים יותר עשויים לאפשר צמיחה של גבישים מרובעים אשר לאחר מכן ניתן לעבד לשכבות דקיקות יותר מבלי לפגוע באיכות או ביעילות, ובכך לחסל את הפסולת משיטות ניסור וחיתוך מוטות מסורתיות. מבנה הגביש של הסיליקון הוא מבנה קובי כמו ביהלום מכשירי VLSI המיוצרים על ידי אינטל על פיסת סיליקון חד-גבישי פאנל סולארי עשוי תאי סיליקון חד-גבישיים מתומנים השוואה בין תאים סולאריים : סיליקון רב-גבישי (משמאל) וסיליקון חד-גבישי (מימין) מדיה וקבצים בנושא סיליקון חד-גבישי בוויקישיתוף Monkowski, J. R.; Bloem, J.; Giling, L. J.; Graef, M. W. M. (1979). "Comparison of dopant incorporation into polycrystalline and monocrystalline silicon". Appl. Phys. Lett. 35 (5): 410–412. doi:10.1063/1.91143. W.Heywang, K.H.Zaininger, Silicon: the semiconductor material, in Silicon: evolution and future of a technology, P.Siffert, E.F.Krimmel eds., Springer Verlag, 2004. Wang, C.; Zhang, H.; Wang, T. H.; Ciszek, T. F. (2003). "A continuous Czochralski silicon crystal growth system". Journal of Crystal Growth. 250 (1–2): 209–214. doi:10.1016/s0022-0248(02)02241-8. Capper, Peter; Rudolph, Peter (2010). Crystal growth technology: semiconductors and dielectrics. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 9783527325931. OCLC 663434790. Wenham, S. R.; Green, M. A.; Watt, M. E.; Corkish R. (2007). Applied photovoltaics (2nd ed.). London: Earthscan. ISBN 9781844074013. OCLC 122927906. Peter Clarke, Intel enters billion-transistor processor era, EE Times, 14 October 2005. Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, July 28, 2014. Photovoltaics Report, Fraunhofer ISE, February 26, 2018. Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita W. Y. (2018-01-01). "Solar cell efficiency tables (version 51)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications (באנגלית). 26 (1): 3–12. doi:10.1002/pip.2978. ISSN 1099-159Xfree{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link) Solar Industry Technology Report 2015–2016, Canadian Solar, October 2016. Scanlon, Bill (27 באוגוסט 2014). "Crystal Solar and NREL Team Up to Cut Costs". NREL (באנגלית). נבדק ב-2018-03-01. {{cite web}}: (עזרה)