ויקיפדיה

צורן – הבדלי גרסאות

עיון אינטראקטיבי בהיסטוריה
→ העריכה הקודמתהעריכה הבאה ←
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
חזותיקוד ויקי
אין תקציר עריכה
תגיות: עריכה ממכשיר נייד עריכה דרך האתר הנייד
את אמא שלך
שורה 1:
{{פירוש נוסף|נוכחי=יסוד כימי}}
{{יסוד כימי
|שכן מימין=[[זרחן]]
|שם=צורן
|שכן משמאל=[[אלומיניום]]
|שכן מלמעלה=[[פחמן|C]]
|סמל כימי=Si
|שכן מלמטה=[[גרמניום|Ge]]
|תמונת טבלה מחזורית=[[קובץ:Si-TableImage.png|250px|]]
|צבע רקע=#cccc99
|מספר אטומי=14
|סדרה כימית=[[מתכות למחצה]]
|צפיפות=2330
|מראה=אפור כהה בגוון כחלחל
|תמונה=[[קובץ:SiliconCroda.jpg|280px]]
|משקל אטומי=28.0855
|רדיוס אטומי=
|רדיוס קוולנטי=
|רדיוס ואן דר ולס=210
|רמות אנרגיה=2, 8, 4
|מצב צבירה=מוצק
|טמפרטורת היתוך=1687.15
|יחידות לטמפרטורה=K
|טמפרטורת היתוך צלזיוס=1,414
|טמפרטורת רתיחה=3173.15
|טמפרטורת רתיחה צלזיוס=2,900
|לחץ אדים=4.77
|טמפרטורת אדים=1683
|מהירות הקול=
|טמפרטורת מהירות הקול=
|אנרגיית יינון ראשונה=786.5
|אלקטרושליליות=1.90
|קיבולת חום סגולית=700
|מוליכות חשמלית=2.52 <math>\ 10^{-4}</math>
|מוליכות תרמית=148
|אנרגיית יינון שנייה=
|אנרגיית יינון שלישית=
|אנרגיית יינון רביעית=
}}
'''צוֹרָן''' ('''Silicon'''; [[לטינית]]: '''Silicium'''), הידוע יותר בשמו הלועזי '''סיליקון''', הוא [[יסוד כימי]] ש[[סמל כימי|סמלו הכימי]] Si ו[[מספר אטומי|מספרו האטומי]] 14.
 
צורן הוא ה[[יסוד]] השמיני בתפוצתו ביקום (לפי מסה), אולם כמעט ולעולם אינו מופיע בצורתו הטהורה. הצורן מופיע לרוב בצורות שונות של [[צורן דו-חמצני]] (תחמוצת סיליקון) או [[סיליקט]]ים, והוא שכיח מאוד בחול, באבק, ב[[כוכב לכת|כוכבי לכת]] וב[[כוכב לכת מינורי|פלנטואידים]]. למעלה מ-90% מ[[קרום כדור הארץ]] מורכב ממינרלי סיליקט, מה שהופך את הצורן ליסוד השני בתפוצתו בקרום כדור הארץ (כ-28% משקלי) אחרי [[חמצן]].
 
הרבה מהשימושים המסחריים של צורן אינם דורשים הפרדה או עיבוד שלו מהצורה הטבעית. שימושים כאלה כוללים לבנים קרמיות, [[חרסית]] (חימר), [[חצץ]], [[חרסינה]] וסוגי [[זכוכית]] שונים. [[צורן קרביד]] (SiC) הוא תרכובת מודרנית יותר של צורן, המשמש לליטוש, לשיוף וכחומר קרמי בעל חוזק גבוה. צורן הוא גם הבסיס למשפחת תרכובות הפולימרים [[סיליקון (תרכובת)|סיליקון]] (Silicone). רוב הצורן הנקי (שאינו חלק מתרכובות כגון סיליקט) משמש כתוסף בעיבוד [[פלדה|פלדות]] וביציקות [[אלומיניום]].
 
לצורן נקי השפעה ניכרת על הכלכלה העולמית המודרנית, דרך תעשיית ה[[מיקרואלקטרוניקה]], וזאת למרות שהיא צורכת פחות מ-10% מהצורן הנקי סה"כ. השימוש הנרחב בצורן בעל רמות ניקיון גבוהות מאוד בייצור [[מעגל משולב|מעגלים משולבים]] מהווה את הבסיס לרוב המחשבים, עליהם מושתתת מרבית הטכנולוגיה המודרנית.
 
==תכונות==
===תכונות כלליות===
בצורתו ה[[גביש]]ית, לצורן צבע [[אפור]] כהה וברק מתכתי. זהו יסוד אדיש יחסית מבחינה כימית, הוא מגיב עם [[הלוגנים]] ו[[מתכת אלקלית|מתכות אלקליות]], אך אינו מושפע מ[[חומצה|חומצות]] (פרט לתערובת [[חומצה חנקתית]] ו[[חומצה הידרופלואורית]]). צורן טהור מעביר 95% מתחום ה[[תת-אדום]]. בצורה זו הוא נמצא לעיתים רחוקות בטבע, ובדרך-כלל מופיע כ[[צורן דו-חמצני]] (SiO<sub>2</sub>) הקרוי גם "סיליקה" או כתרכובות של סיליקון, חמצן ויסודות נוספים המכונות סיליקטים.
 
===כמוליך למחצה===
[[קובץ:Silicon-unit-cell-3D-balls.png|200px|ממוזער|שמאל|תא יחידה של צורן. צורן גבישי הוא בעל מבנה [[יהלום]]]]
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 אסור|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 (ב[[מעלות קלווין]]) באופן הבא:{{הערה|[http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Si/index.html נתונים על המבנה האלקטרוני של סיליקון]}}
<center><math>E_g(eV)=1.17-\frac{4.73\times 10^{-4}\cdot T^2}{T+636}</math></center>
 
צורן נקי מאוד, המכונה גם צורן אינטרינזי, הוא בעל [[התנגדות חשמלית]] סגולית גבוהה מסדר גודל של <math>3.2\times10^5\;\Omega\cdot cm</math>, הנובעת מריכוז נמוך מאוד של נושאי מטען חופשיים, מסדר גודל של 10<sup>10</sup> נושאי מטען לסמ"ק. לצורן נוהגים להוסיף מזהמים בריכוזים נמוכים מאוד על-מנת לכוונן את תכונותיו החשמליות בתהליך הנקרא [[אילוח (מוליכים למחצה)|'''אילוח''']], או בשמו הנפוץ יותר '''סימום''' (doping). הזיהומים מכונים מאלחים או מסממים (dopants). המאלחים הנפוצים ביותר בסיליקון הם היסודות [[בור (יסוד)|בורון]], ליצירת צורן מסוג P, והיסודות [[זרחן]] ו[[ארסן]] המשמשים ליצירת צורן מסוג N. באמצעות אילוח ניתן להגדיל את מוליכות הצורן פי מיליארד ויותר.
 
==שימושים==
תחמוצות צורן הן המרכיב העיקרי ב[[זכוכית]], [[מלט]] ו[[חומר קרמי|קרמיקה]]. בנוסף הצורן מרכיב ב[[סיליקון (תרכובת)|סיליקונים]] (Silicone) ופולימרים על בסיס צורן.
 
[[קובץ:Silicon wafer with mirror finish.jpg|160px|ממוזער|שמאל|[[פרוסת סיליקון]] נקיה ומלוטשת המשמשת לייצור שבבים]]
[[קובץ:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|160px|ממוזער|שמאל|חד גביש של סיליקון שיוצר בתהליך Czochralski. מגביש כזה חותכים את [[פרוסת סיליקון|פרוסות הסיליקון]] הדקות ומלטשים אותן]]
בצורתו החד-גבישית הצורן הוא ה[[מוליך למחצה]] החשוב והנפוץ ביותר בשימוש כיום, ומהווה את הבסיס לרוב ה[[מעגל משולב|שבב]]ים האלקטרוניים.
סיליקון משמש גם בתאים סולאריים ממגוון סוגים, הן בצורתו החד-גבישית, וגם במבנה [[אמורפיות|אמורפי]] (a-Si:H). למרות שהצורן פחות יעיל ממוליכים למחצה בעלי [[פער אסור|פער אנרגיה]] ישיר בתאים סולאריים, מחירו הנמוך יחסית ובשלות תהליכי הייצור הופכים אותו לאטרקטיבי כלכלית ביישומים רבים של [[אנרגיה סולארית]].
 
===שימושים נוספים===
*צורן יכול לעיתים להועיל כשהוא מוסף ל[[סגסוגת|סגסוגות]].
*ייצור [[ארד]], שהוא סגסוגת של [[נחושת]] ו[[בדיל]].
*שילוב צורן ב[[לייזר]] יכול ליצור [[אורך גל]] עקבי של 456 ננומטר.
*לצורן תכונות שמבטיחות ייצור מסכי [[LCD]] ו[[תא פוטו-וולטאי|תאים סולאריים]] בעלות נמוכה.
*יצור גומי עמיד חומצות.
*בריכוזים נמוכים צורן משמש לעיתים בתור [[אילוח (מוליכים למחצה)|מאלח]] של [[גליום ארסניד]].
 
==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 [[פלואור]]י (SiF<sub>4</sub>). 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 ה[[מוליך למחצה|מוליכים למחצה]] וההיי-טק, נקרא אזור ההיי-טק ב[[קליפורניה]] "[[עמק הסיליקון]]".
 
==צורן בטבע==
הצורן הוא היסוד השני בשכיחותו ב[[קרום כדור הארץ]] (אחרי [[חמצן]]), ומהווה 25.7% ממסתו. הצורן מופיע ב[[חול]], [[קוורץ]], [[גרניט]], בעיקר בצורת צורן דו-חמצני (הידוע גם בשם [[סיליקה]]) או [[סיליקט]]ים (תרכובות של צורן, חמצן ומתכות שונות). ה[[מיקרוביולוג]] [[בנימין וולקני]] גילה כי צורן הוא מרכיב ביולוגי חיוני באצות.
 
==ייצור==
צורן מופק מסחרית בחימום סיליקה טהורה ב[[כבשן]] חשמלי, המשתמש ב[[אלקטרודה|אלקטרודות]] מ[[פחמן]]. בטמפרטורה העולה על 1900°C, מתרחשת התגובה הבאה:
 
:<math> SiO_{2(s)} + C_{(s)} \rarr Si_{(s)} + CO_{2(g)}</math>
 
צורן נוזלי מצטבר בתחתית הכבשן, מנוקז ומקורר. בשיטה זו מתקבל צורן 99% טהור ואחד מתוצרי הלוואי הוא [[צורן קרביד]] SiC. על מנת להימנע מתוצר לוואי זה, ריכוז הצורן הטהור נשמר גבוה ואז מתרחשת התגובה הבאה:
 
<math>\ 2SiC_{(s)} + SiO_{2(s)} \rarr 3Si_{(s)} + 2CO_{(g)}</math>
 
==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]] ב[[מלחמת העולם השנייה]], כללה ריסוק צורן [[גביש]]י לאבקה והשרייתו ב[[חומצה]]. 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. SiCl<sub>4</sub> וSiH<sub>4</sub> 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-HSiCl<sub>3</sub> גזי ב-1150°C. הצורן שבגז מצטרף למוטות הצורן בהתאם לתגובה הבאה:
 
<math>\ 2HSiCl_{3(g)} \rarr Si_{(s)} + 2HCl_{(g)} + SiCl_{4(g)}</math>
 
בשיטה נוספת, הפיקה חברת [[דופונט]] צורן טהור ברמה גבוהה כשחשפו SiCl<sub>4</sub> ל[[אבץ]] ב-950°C בהתאם לתגובה הבאה:
 
<math>\ SiCl_{4(g)} + 2Zn_{(l)} \rarr Si_{(s)} + 2ZnCl_{2(g)}</math>
 
בסופו של דבר טכניקה זו נזנחה לטובת ''תהליך סימנס'' מכיוון שהייתה כרוכה בבעיות רבות.
 
==אמצעי זהירות==
מחלת [[ריאות]] בשם "צורנת" (או "[[סיליקוזיס]]") מופיעה אצל [[כורה|כורים]], [[סתת]]ים ושאר אנשים שעבדו ושאפו [[אבק]] [[צורן דו-חמצני|סיליקה]] בכמויות גדולות.
 
==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים|ויקימילון=צרן}}
*[http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Si/key.html צורן בWebelements (אנגלית)]
*[http://mineral.galleries.com/minerals/elements/silicon/silicon.htm מידע ותמונות על מינרלים המכילים צורן (אנגלית)]
 
==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}
 
{{הטבלה המחזורית|Si}}
 
[[קטגוריה:צורן]]
[[קטגוריה:יסודות כימיים]]
[[קטגוריה:מתכות למחצה]]
<br />
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/wiki/צורן"