Kiselkristaller

Kiselkristaller är kristallina former av grundämnet kisel (Si). De används framför allt som halvledarmaterial i elektroniska enheter och solceller. I naturen förekommer ren kisel sällan fritt; kisel finns mest i silikater och kiselseminer. Industriell kisel används vanligtvis i form av högren poly- eller monokristaller.

Struktur och egenskaper: Kiselkristaller har en diamantliknande kristallstruktur och följer ett tetravalent bindningsschema. De har ett indirekt bandgap på cirka 1,12 eV vid rumstemperatur, vilket påverkar deras ljus- och energiegenskaper. Smältpunkt uppskattas till cirka 1414 °C och täthet till cirka 2,33 g/cm3. Ren kisel är ett relativt dåligt ledare vid rumstemperatur, men leder elektrisk ström effektivt när det dopas till n- eller p-typ. Kristallstorlek och renhet påverkar elektroniska egenskaper avsevärt, vilket gör kontrollerad tillverkning central.

Framställning: Högren kiselkristaller produceras i huvudsak genom metoderna Czochralski-processen (CZ) och float-zone-processen. Råmaterialet är mycket ren polykisel. I CZ-processen droppas en liten kristallkrok ned i smält kisel och dras upp för att bilda ett långt odlat boule som kan kapas till vågföljande skivor (wafer). Float-zone ger ännu högre renhet utan kiselkristallkärl, vilket minskar inre föroreningar.

Användning: Monokristallinsk och polysilikon används i halvledare för integrerade kretsar och MEMS, samt i solceller där hög renhet och specifika dopningsprofil krävs. Kiselkristaller bör inte förväxlas med kiselaska (kiseloxid) som bland annat förekommer som kvarts och används i keramiska material och glas.