Kisel (Si) – grundämne, egenskaper och roll i elektronik

Kisel (Si) – metalloidens egenskaper och avgörande roll i elektronik och halvledarteknik. Från sand till chip: användning, struktur och tillämpningar.

Kisel är grundämne 14 i det periodiska systemet. Dess symbol är Si.

Kisel ser ut som en metall, men kan inte göra allt som en metall gör, till exempel leda elektricitet mycket lätt. Det är en metalloid. Kisel används i stor utsträckning i dagens datorer och i praktiskt taget alla elektroniska apparater. Germanium kan också användas i datorer, men kisel är lättare att hitta.

Det finns mycket kisel på jorden. På stranden finns kisel i form av sand. Sand är en förening av kisel som kallas kiseldioxid eller kiseldioxid. Glas tillverkas genom att man värmer sand (eller kiseldioxid) tillräckligt varmt. Glaset kan få olika färger genom att tillsätta färgade föreningar. Kisel ingår också i många olika stenar och mineraler, och de kallas silikater.

Egenskaper

Atomnummer: 14. Atomvikt: cirka 28,085 u. Elektronkonfiguration: [Ne] 3s2 3p2. Kisel är tetravalent och bildar främst kovalenta bindningar.

• Täthet: ungefär 2,33 g/cm³ (kristallint).
• Smältpunkt: cirka 1414 °C.
• Kokpunkt: cirka 3265 °C.
• Kristallstruktur: diamantliknande kubisk (diamond cubic).
• Bandgap: ungefär 1,12 eV vid rumstemperatur — därför är kisel en halvledare.
• Oxidationstillstånd: vanligen +4, men även +2 förekommer i vissa föreningar.

Isotoper och historia

De vanligaste stabila isotoperna är 28Si (~92,2 %), 29Si (~4,7 %) och 30Si (~3,1 %). Kisel isolerades i amorf form av Jöns Jacob Berzelius år 1824, och det industriella utnyttjandet ökade kraftigt under 1900-talet i och med utvecklingen av halvledarteknik.

Framställning och rening

Industriellt produceras kisel vanligen ur kiseldioxid (sand eller kvarts). Stegen omfattar ofta:

• Metallurgiskt kisel: framställs genom karbotermisk reduktion av kiseldioxid i elektriska ugnar och används bland annat i legeringar.
• Rening till elektronik-kvalitet: Metallurgiskt kisel renas vidare med kemiska processer, till exempel genom tillverkning av triklorsilan och därefter återuppbyggnad av mycket rent polysilikon (Siemensprocessen).
• Monokristallin kisel: För halvledare och solceller används enkristaller som dras upp med metoder som Czochralski-processen eller float-zone-processen för mycket hög renhet och få defekter.

Roll i elektronik och solenergi

Kisel är grundstenen i modern elektronik tack vare sina halvledaregenskaper. Några viktiga punkter:

• Dopning: Genom att införa små mängder andra grundämnen ändras kislets ledningsförmåga. B (bor) ger p-typ (positiva bärarhål) och P (fosfor), As (arsenik) eller Sb (antimon) ger n-typ (elektroner).
• Transistorer och IC: Kisel används för att tillverka transistorer, dioder och hela integrerade kretsar (IC). Framväxten av MOSFET-tekniken (metal–oxide–semiconductor) baseras starkt på kisel och dess oxidsystem.
• SiO2 (kiseldioxid): Bildar en stabil och elektriskt isolerande yta som är avgörande som isolator och som gate-dielektrikum i MOS-teknik. Den naturliga "native oxide" gör också att kisel kan passiveras enkelt.
• Solceller: Monokristallint och polykrystallint kisel är de vanligaste materialen i solcellsindustrin tack vare bra effektivitet, kostnadseffektiv tillverkning och stabilitet.
• Mekaniska och mikrostrukturer: Kisel används även i MEMS (mikroelektromekaniska system) där dess mekaniska egenskaper och bearbetbarhet med litografi gör det lämpligt för små sensorer och strukturer.

Kiselkemikalier och andra användningsområden

Utöver elektroniken förekommer kisel i många material och produkter:

• Silikater och kiseldioxid: i byggmaterial (betong, tegel), glas och keramik.
• Organosilikoner: ofta kallade silicones, används som tätmedel, smörjmedel och medicinska implantat — dessa är polymerer som innehåller kisel–syrebindningar.
• Legeringar: kisel används i aluminiumlegeringar och andra metalllegeringar för att påverka mekaniska egenskaper.

Säkerhet och miljö

Rent kisel är relativt inert och har låg giftighet. Däremot är finfördelad kiselhaltig damm, speciellt kristallin kiseldioxid (kvarts), hälsoskadligt vid inandning och kan orsaka lungsjukdomen silikos. Arbetsmiljöriktlinjer för att begränsa dammexponering är viktiga i gruvor och vid bearbetning.

Sammanfattning

Kisel är ett av jordens vanligaste grundämnen och centralt för modern teknik. Som halvledare med användbara elektriska egenskaper, möjligheten att bilda en stabil isolerande oxid och förmågan att tillverkas i extremt ren form har gjort kisel oersättligt inom elektronik och förnybar energi. Samtidigt är dess kemiska föreningar grundläggande i byggmaterial, glas och många industriella tillämpningar.

Frågor och svar

F: Vad är kisel?

F: Vad är atomnumret för kisel?

F: Vad är symbolen för kisel?

F: Kan kisel leda elektricitet bra?

F: Var används kisel vanligtvis?

F: Vad består kiseldioxid av?

F: Vad är silikater?

Sök med bokstav