Кремний. Реферат на тему Кремний. Свойства и применение студент группы М43201Бк19

• Название: Реферат на тему Кремний. Свойства и применение студент группы М43201Бк19
• Дата: 24.01.2023
• Размер: 27.64 Kb.
• Имя файла: Кремний.docx
• Тип: Реферат; #902348

Московский авиационный институт

Радиотехника

11.03.01

 

 

 

Реферат на тему:

Кремний.

Свойства и применение.

 

Выполнил: 

студент группы М43-201Бк-19

Аргунов Ю.И.

  Проверил: 

к. т. н. Лыгина И.О.

 


 Москва, 2020

Кремний (лат. Silicium) Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: ²⁸Si (92,27%), ²⁹Si (4,68%) и ³⁰Si (3,05%).

Историческая справка. Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. — двуокись SiO₂ (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный К. из фтористого кремния SiF₄, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввёл Г. И. Гесс в 1834.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма – соединений на основе кремния SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния – это песок, кварц, полевые шпаты. Вторую по распространенности в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Кремний никогда не встречается в свободном состоянии в виде простого вещества, он всегда связан с кислородом и, за несколькими исключениями, всегда имеет координационное число 4. Структурные единицы {Si04} могут существовать в виде отдельных частиц или соединяться, образуя цепи, ленты, кольца, слои или трехмерные каркасы.

Получение кремния для подложек ИС (Интегральных схем)

Существуют поли- и монокристаллы кремния. Поликристалл состоит из множества монокристаллических зёрен с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристалле отсутствует регулярность структуры (анизотропия свойств). Монокристалл кремния представляет собой сплошную упорядоченную структуру с анизотропными свойствами (анизотропные свойства – это зависимость электрических, механических и химических свойств от направления кристаллической решётки).

Технология изготовления монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов:

• 
  Получение технического кремния;
  
• 
  Превращение кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;
  
• 
  Очистки и восстановления соединения, получения кремния в виде поликристаллических стержней;
  
• 
  Конечной очистки кремния методом кристаллизации;
  
• 
  Выращивания легированных монокристаллов кремния.
  

Сырьем для получения кремния служит чистый диоксид кремния, который восстанавливают углеродом в печах при температуре около 1700 °С. Однако чаще кремний получают в виде сплава с железом (ферросилиций) или магнием. Ввиду того, что очистка технического кремния очень сложна, его обычно переводят в легколетучие производные (SiCl₄; SiHCl₃, SiH₄), которые подвергают глубокой ректификационной очистке. Из указанных соединений получают кремний сырец. Соответственно существуют три способа его получения.

В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде

SiC_(тв) + SiO_2(тв)→Si_(тв) + SiO_2(газ) + CO_(газ)

Технический кремний содержит 98. . .99% Si, 1. . .2% Fe, Au, B, P, Ca, Cr, Mg, Ni, Ti, V, Zn и др.

Современная технология производства поликристаллического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана. Большую часть кремния (около 80%) получают путём водородного восстановления трихлорсилана (ТХС). Достоинства этого процесса – лёгкость и экономичность ТХС, эффективность очистки ТХС, высокое извлечение и большая скорость охлаждения кремния (извлечение кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15%, а ТХС – не менее 30%), меньшая себестоимость продукции. ТХС обычно добывают путём гидрохлорирования кремния: взаимодействия технического кремния с хлористым водородом или со смесью газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260…400ºС. ТХС содержит большое количество примесей, очистка от которых представляет сложную задачу.

Технически и экономически конкурентоспособным по сравнению с рассмотренным является метод получения поликристаллического кремния путём разложения силана SiH₄ высокой частоты. Путём сплавления технического кремния и магния в водороде при 550 ºС получают силицид магния Mg₂Si, который затем разлагают хлоридом аммония по реакции Mg₂Si + 4NH₄Cl → SiH₄ +2MgCl₂ + 4NH₃ в среде жидкого аммиака при температуре 30 ºС. Отделяемый моносилан далее поступает на ректификационную очистку, в результате которой содержание примесей снижается до уровня менее 10^-8…10^-7%.

Очищенный ТХС восстанавливают и в результате получают поликристаллический кремний в атмосфере водорода на поверхности разогретых кремниевых стержней – основа диаметром 4. . .8 мм (иногда 30 мм): SiHCl_3(г) + H_2(г) → Si_(г) + 3HCl_{(г) .}

Получение поликристаллических стержней кремния путем термического разложения моносилана SiH₄ производится по аналогичной методике при температурах 1000 °С. Образующийся при разложении водород SiH_4(Г) → Si_(T) + 2Н_2(Г) обладает высокой степенью чистоты и используется в сопутствующем производстве. В результате поликремний обладает более высокой степенью чистоты, чем кремний, получаемый восстановлением ТХС. Далее методом Чохральского получают монокристаллы кремния, из которых основная часть используется для производства интегральных микросхем; незначительная часть (около 2%) идет на изготовление солнечных элементов. Метод эффективен для изготовления приборов, не требующих высоких значений удельного сопротивления (до 25 Ом · см) из-за загрязнения кремния кислородом и другими примесями.

Физические свойства кремния

Кремний, как и германий, образует твёрдые ковалентные кристаллы со структурой алмаза. Температура плавления кремния 1421 ºС. Постоянная решётки а = 0,543 нм, плотность кристаллов 2320 кг/м³. Кремний значительно легче германия, а также несколько темнее и прочнее. Подвижность электронов и дырок в монокристаллическом кремнии при комнатной температуре составляет μ_n=1500 см²/В с; μ_p=480 см²/В с. Как и в германии, в кремнии существуют два типа дырок: лёгкие с m_л* = 0,16m и тяжёлых m_т*=0,49m. Ввиду сравнительно большого значения ширины запрещённой зоны, удельное сопротивление чистого кремния, обладающего собственной проводимостью, составляет около 10⁵ ом см. Такой кремний должен содержать примесей не более чем 10⁸ см^-3.

Кремний является пьезоэлементом, и для него характерен как прямой, так и обратный пьезоэффект.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля. На этом физическом явление основан принцип работы кварцевых часов, кварцевый резонатор и др.

Химические свойства кремния

При комнатной температуре кристаллический кремний обладает малой реакционной способностью и реагирует только со фтором:

Si + 2F₂ = SiF_4.

Взаимодействие с другими элементами, в том числе с кислородом и галогенами, протекает только при нагревании до 500-600 ºС:

Si + 2Cl₂ = SiCl_4.

Образование диоксида SiO₂ является экзотермической реакцией и сопровождается выделением значительного количества теплоты:

Si + O₂ = SiO₂;       ΔHº = -911 кДж

Кремний при высоких температурах обладает большим сродством к кислороду и к кислородсодержащим соединениям проявляет сильные восстановительные свойства. Например:

2H₂O_(г) + Si_(кр) = SiO_2(кр) + 2H_2(г),    ΔHº = -427 кДж,    ΔSº = -98 Дж/K,

Кремний по отношению к оксидам – гораздо более сильный восстановитель, чем водород.

С водными растворами обычных кислот кремний не реагирует, а кислоты-окислители пассивируют его, поскольку слой диоксида кремния не растворяется в кислотах. Однако кремний реагирует со смесью азотной и плавиковой кислот, так как согласно по принципу Пирсона объединяет “жёсткую” кислоту (Si⁴⁺) и “жёсткое” основание (F^—).

3Si +4HNO₃ +18HF = 3H₂[SiF₆] +4NO↑ +8H₂O

В щелочах диоксид растворим, и в присутствии ионов гидроксида кремний легко реагирует с водой даже, если pH раствора равен всего 8-9. В этих условиях реакция идёт фактически с образование SiO₂, а анионы OH^— играют роль катализатора, препятствующего образованию плотной плёнки на поверхности:

2H₂O + Si = SiO₂ + 2H₂↑

В более концентрированных щелочах при pH = 11 – 14 происходит растворение SiO_2, и реакция идёт иначе:

H₂O + Si + 2NaOH = Na₂SiO₃ + 2H₂↑.

Физика и химия кремния

В сверхчистом (полупроводниковом) кремнии между высшими занятыми энергетическими уровнями (валентная зона) и низшими свободными (зона проводимости) существует запрещенная зона. Валентная зона полностью занята, зона проводимости свободна, уровень Ферми E_F (энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2) располагается приблизительно посередине между ними, и вещество при комнатной температуре является изолятором. Если кремний легирован элементом 15-й группы (Р, As или Sb), каждый атом легирующей добавки вносит «избыточный» электрон; эти электроны могут быть переведены в зону проводимости посредством термического возбуждения или за счет поглощения фотонов: вещество является полупроводником n-типа с энергией активации ΔЕn (n обозначает носители отрицательного заряда, т. е. электроны). Напротив, легирование элементами 13-й группы (В, Аl или Ga) приводит к появлению акцепторных уровней, которые могут служить ловушками для возбужденных электронов из заполненной валентной зоны: вещество является полупроводником р-типа, носителями заряда служат положительные дырки в валентной зоне.

Если полупроводник n-типа на основе Si соединить с полупроводником р-типа, то образующийся p-n-переход имеет общий уровень Ферми: электроны начинают переходить от п- к р-образцу, а дырки в обратную сторону, и таким образом из-за пространственного разделения зарядов возникает разность потенциалов V₀. следовательно, р-п-переход может действовать как диод для выпрямления переменного тока, так как ток в одном направлении проходит легче, чем в другом. На практике большие p-n-переходы могут достигать 10 мм², в то время как в интегральных схемах их площадь не превышает 10 мм².

Транзистор, или n-p-n-переход состоит из двух частей n-полупроводника на основе Si, разделенных тонким слоем слабого р-полупроводника. Если эмиттер смещен на небольшой потенциал в прямом направлении, а коллектор на больший потенциал в обратном направлении, это устройство работает как триод-усилитель.

Промышленное производство мельчайших, устойчивых в работе транзисторов на основе монокристаллов — это триумф методов твердотельного химического синтеза.

1. 
   Маленькую пластинку монокристаллического кремния n-типа окисляют путем нагревания в О₂ или парах Н₂О, при этом на поверхности образуется тонкий слой SiO₂.
   
2. 
   Этот оксидный слой покрывают фоточувствительной пленкой, называемой фоторезистом.
   
3. 
   На фоторезист помещают маску и подвергают его облучению ультрафиолетом, при этом облучению подвергается только открытая часть фоторезиста; облученный фоторезист затем удаляют действием кислоты, в результате остается требуемая часть прочного оксидного покрытия.
   
4. 
   Незащищенные участки Si подвергают травлению плавиковой кислотой (HF), оставшийся фоторезист также удаляется.
   
5. 
   Поверхность обрабатывают парами элемента 13-й группы, примесные атомы диффундируют в незащищенные участки и образуют слой Si р-типа.
   
6. 
   Стадии 1-5 повторяют с другой маской, и новые участки обрабатывают парами элемента 15-й группы, при этом образуется слой Si n-типа.
   
7. 
   Наконец, поверхность подвергается повторному окислению с новой маской и затем повторному травлению, на образующиеся открытые участки осаждают металл, чтобы соединить п- и р-участки в интегральную схему.
   

Этим методом можно производить невероятно маленькие p-n-диоды и n-p-n-транзисторы. Например, в запоминающих устройствах компьютеров микрочип может хранить свыше 10⁵ бит информации.

Применение кремния в современной микроэлектронике

Кремний основной материал современной электронной техники. Он идёт на изготовление практически всех существующих в настоящее время полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) и изделий микроэлектроники – интегральных устройств. Интегральные микросхемы (ИМС) – основное изделие в использовании кремния в настоящее время. Кремниевые ИМС и микропроцессоры являются основными компонентами вычислительной техники и автоматики. Кремний активно используется в солнечных батареях, непосредственно трансформирующих излучение солнца в электричество. Так же используется в кварцевых резонаторах, кварцевых часах и во многих других приборах.

Список использованных источников:

1. Химическая энциклопедия: в 5-ти тт. / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1990.
2. Общая химия: Учебник для вузов. — 4-е изд., исправл. – СПб: Химиздат.
3. Ежовский Ю. К. Введение в технологию материалов электронной техники: учебное пособие.
4.Жаркой М.Ф. Технологические основы производства полупроводниковых интегральных схем: учебное пособие.
5. Интернет – ресурс Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний . 6. Интернет – ресурс Wikia.org https://science.wikia.org/ru/wiki/Кремний .