Räni puhastamine ja selle roll elektroonikas

Räni on elektroonikas tavaliselt aluseks olev materjal kiibil olevate transistorite jaoks. Terve pragudeta ühtne ränikristall talub hästi elektroonikas ette tulevaid temperatuure, mehhaanilisi lööke ja elektrit ning räni on germaaniumi kõrval üks väheseid materjale, mida osatakse inimeste poolt ühe puhta tükina nii suureks kasvatada nagu ülal pildil võib näha. Suurimad kristallid võivad olla 2 meetrised ja 30 cm paksused. Mehhaanilist vastupidavust võib näha ülal selle kristalli ülaosas, kus algeks pandud peenike puhas ränipulk suudab kogu mitmesaja kilogrammist kristalli ülal hoida ning kristalliseerumise ajal kogu seda kristalli sularänis pöörlemas hoida.  

Edasisel töötlemisel lõigatakse need teemantsaega õhukesteks (vajadusel alla 1 mm) viiludeks ja lihvitakse siledaks. Päikesepatareide tegemisel lõigatakse need tavaliselt nelinurkseks. Kiipide tegemisel tehakse ühe viilu peale paljudes kordustes soovitud kiibitüüp, mis hiljem üksteisest eraldatakse. Praod ja kriimustused võivad segavalt mõjutada selle piirkonna elektrilist aktiivsust või jääda otseselt ette kiibi tegemises, sest praod ei laseks mõne mikromeetriseid ja väiksemaid transistoreid korrapäraselt paigutada.

Üheks räni omaduseks on hapniku juuresolekul ränidioksiidi (looduses liiv ja kvarts) moodustamine, mis on tugev elektritakisti.

Kiipides kasutatav räni puhtus peab olema vähemalt "üheksa üheksat" ehk 99,9999999%, et lisandite erinevad laengud kiibi tööd ei segaks.
Esialgse 98% puhtuse saab kui ränidioksiidi kuumutada süsinikku sisaldavas keskkonnas elektroodidega.
SiO₂ + C → SiO + CO või SiO + 2 C → SiC + CO
2 SiC + SiO₂ → 3 Si + 2 CO
Selles protsessis ühineb süsinik hapnikuga eraldudes vingugaasina jättes alles puhtama vedela räni.
Puhtama räni tootmises kasutatakse mitut puhastavat protsessi, et järjest puhtamat räni saada. Sarnaselt veega kristalliseerub puhtam räni kõrgemal temperatuuril kui lisanditega räni (temperatuur peab olema täpselt piiri peal, et puhtam räni saaks varem tahkestuda), mistõttu tahkestub esimesena kõige puhtam räni ning alles jääb vähem puhas räni.
Üks puhastusmeetod kasutab hapet ja räni purustamist. Murdumisel on nõrgemateks kohtadeks vähempuhtad piirkonnad, mis jäävad murdumise järel tükikeste välispinnale ja lahustuvad happe lisamisel esimeses järjekorras.

Zone melting töötlus kasutab ära sulamistemperatuuri sõltumist puhtusest. Puhta räni sulamistemperatuur on 1414 C. Selles töötluses tõmmatakse räni (või muu puhastatava aine) tükk aeglaselt läbi kitsa kuuma piirkonna, mis sulatab materjali ning lisanditega ränisegu püsib kauem vedelana. See vedelam lisanditega osa voolab kergemini alla. Ühte otsa voolanud lisanditega tükk lõigatakse küljest, eemaldatakse ja vajadusel korratakse sulatamist täiendava puhtuse saavutamiseks.
Pooljuhina saavad ränis + ja - laenguga osakesed erinevalt metallist ringi liikuda ning temperatuuri tõstmine tekitab selliseid ioone juurde. Täiesti puhas räni ei juhi elektrit kuid kui kristalliseerumissegusse lisada teise laenguga elemente (perioodilisustabelis 3. või 5. tulba elemendid), siis need lisavad elektrijuhtivust kuna tihedam laengut omavate osakeste sisaldus parandab elektrijuhtivust. 

Suuri ränikristalle saab toota 1916. aastal leitud Czochralski protsessiga, mis sobib ka teiste ainete (metallide ja osade tehisvääriskivide) kristallide tegemiseks. Alustuseks sulatatakse soovitud koostisega algmaterjal ja lisatakse puhas kristallialge, mille ümber kasvab ülejäänud kristall. Kristall püsib pöörlevana ja seda tõstetakse aeglaselt. Hiljem kristalliseerunud materjal on vähem puhas ja saadud kristalli puhtus langeb selle pinna lähedal ja allpool hiljem kristalliseerunud osas.
Sulatusanum on ränist ja ruumis olevaks gaasiks on mõni keemiliselt mitteaktiivne väärisgaas.

Kristalli kasvamiskiirus on piisav, et seda saaks tõsta umbes paar millimeetrit minutis.

Päikesepatareides on räni puhtus oluline kindla elektrilise aktiivsuse saamiseks ning praod segaksid muuhulgas laengute ja valguse enda levikut. Suurima efektiivsusega päikesepatareid kasutavad tervest ränikristallist tehtud ränitükke ning vähemefektiivsed päikesepatareid kasutavad juhuslikuma ehitusega räni tükke.
Räni on puhtana halb elektrijuht reageerides nõrgalt valgusele kuid lisanditega saab elektrijuhtivust ja valgustunlikkust muuta. Ränil endal on 4 vaba elektroni välises elektronkihis, mis on ränis tavaliselt ühenduses nelja teise räni aatomiga neutraliseerides sellega räni laengu. N-tüüpi räni tegemisel lisatakse sinna 5 väliselektroniga elemendi (näiteks fosfori) aatomeid. Fosfor kaotab oma lisanduva vaba elektroni valguse mõjul ning kuna laenguta räni ei hakka seda elektroni endasse tõmbama, siis saab elektron ränikristallis ringi liikuda. Selliste laenguga lisandite tihedus on umbes paar aatomit iga miljoni räni aatomi kohta ja kui räni poleks sarnaselt puhas, siis võivad juhuslikud lisandid nende laengu kergesti ära varjata.
Elektrivoolu tekkeks on vajalik laenguga osakestega ühesuunalise voolu tekitamine.

Vabad elektronid liiguvad positiivsema p-tüüpi räni suunas, kuhu on lisatud positiivsema laenguga aatomeid nagu näiteks alumiinium. Laengud ei saa üksteist kiiresti neutraliseerida. P- ja n- tüüpi räni piiril toimub laengute ühinemine, mis tekitab selles kohas elektriliselt neutraalse piirkonna. Teised laengud ei saa seda kergesti läbida ning mida suuremaks see neutraalne vaheala kasvab, seda suuremad laenguerinevused võivad selle eri külgedel tekkida. Selles olukorras on elektril lihtsam voolata n-ja p-tüüpi räni ühendavas elektroodis ning selles elektroodis voolavat elektrit saab asutada teisteks otstarveteks. See elektrood võib ühel küljel olla valgusele läbipaistmatu metallkiht kuid valguse poolsel küljel peab elektrood olema läbipaistev või vähemalt võrgu laadselt hõre.
Ränitüki läbimõõt võib päikesepatareis olla alla 0,2 mm ning 1 vatise võimsuse saamiseks kulub ~8-9 grammi räni.