| |
Eigenschappen
Silicium behoort tot de groep van halfmetalen. Dit houdt in dat het element zowel metallische als co-valente bindingen met andere element kan aangaan. Als zuiver metaal is silicium een glanzende zilverkleurige stof, dat echter vrij snel weer oxideert. Een belangrijke technische eigenschap is verder dat silicium een halfgeleidend materiaal is.
Als co-valent gebonden element komt silicium voor in onder andere siliconenrubbers. Voor hardingslagen op stalen producten van siliciumcarbide en siliciumnitride wordt ook gebruik gemaakt van de co-valente eigenschappen van silicium. Metallisch wordt silicium vooral toegepast als legeringselement in bijvoorbeeld staal of aluminium. De halfgeleidende eigenschappen van silicium worden natuurlijk gebruikt in computerchips en, voor O2-ers niet onbelangrijk, zonnecellen.
.jpg)
Silicium raffinage
Om silicium te kunnen gebruiken moet het eerst geraffineerd worden. De meest gebruikte grondstof hiervoor is kwarts. Dit materiaal wordt gereduceerd met koolstof volgens de reactie:
SiO2 + C --> Si + CO2.
Deze reactie verloopt alleen bij zeer hoge temperaturen van ongeveer 1900°C. Voor het bereiken van deze temperatuur wordt een elektrische ontlading tot stand gebracht tussen twee koolstofelektrodes, die tijdens de reactie opgebruikt worden. Het silicium dat via dit proces ontstaat heeft een zuiverheid tot 99 procent en is geschikt voor de meeste toepassingen.
Om te kunnen dienen als halfgeleider moet het silicium echter veel zuiverder zijn. Het aantal onzuiverheden mag hiervoor niet meer bedragen dan 1 op 100.000 atomen. Deze zuiveringsstap vindt plaats met een gasvormige silicium verbinding, namelijk trichloorsilaan (SiHCl3). Deze verbinding wordt gemaakt via de reactie:
Si + 3 HCl --> HSiCl3 + H2.
Na reiniging van het gas wordt silicium teruggewonnen door het hete gas langs zuivere silicium staven te laten stromen. Hierbij zet zich nieuw silicium af waarbij zich ook zoutzuur (HCl) en tetrachloorsilaan (SiCl4) ontstaat.
Voor het gebruik in de chipindustrie wordt uit het gezuiverde silicium vervolgens één groot kristal getrokken. Dit wordt gedaan door een smelt in aanraking te brengen met een klein kristal en de vast massa langzaam omhoog te trekken. Tijdens dit proces vindt een verdere zuivering plaats omdat de onzuiverheden vooral boven en onderin het kristal terechtkomen.
Verbeteringen
Vanwege de vele omzettingen en ingewikkelde processen is halfgeleidend silicium niet alleen duur, maar er is ook veel energie voor nodig. Voor het gebruik in chips is dit niet erg omdat hier relatief weinig silicium voor nodig is en de waarde ervan hoog. Voor het maken van een zonnecel is dit echter een groter probleem. Hierdoor zijn er de laatste jaren processen in ontwikkeling die zowel de kosten als het energiegebruik reduceren. Het belangrijkste uitgangspunt hierbij is dat silicium voor zonnecel toepassingen minder zuiver hoeft te zijn dan voor de chipindustrie.
Grofweg zijn deze processen in te delen in drie groepen. Bij de eerste groep wordt de winst vooral gezocht in optimalisatie van de depositie van silicium uit de gasvormige fase. Hierbij worden vaak andere uitgangsstoffen gekozen dan trichloorsilaan. Een tweede groep zuivert silicium dat direct is verkregen uit de reductie van kwarts. Bij deze processen speelt het gelaagd afkoelen van de smelt een belangrijke rol. De derde groep maakt gebruik van zuivere koolstof en kwarts om zuiver silicium te maken. Hiervoor wordt eerst het kwarts zelf gezuiverd door middel van uitloging. De besparing op het energiegebruik kan makkelijk 80 procent bedragen.
|
