Какое свойство кремния широко используется в радиоэлектронике используя интернет подготовьте реферат

Обновлено: 13.05.2024

Если левый электрод заряжен отрицательно (см. рис.4, б), электроны отталкиваются от него и проходят через переход к правому электроду. Одновременно носители положительного заряда (дырки) отталкиваются от положительного электрода и притягиваются к отрицательному электроду. Все это обуславливает электрический ток. Итак, мы создали выпрямитель – прибор, который пропускает ток только в одном направлении и преобразовывает переменный ток в постоянный.
1 – кремний с электронной проводимостью; 2 – кремний с дырочной проводимостью; 3 – нагрузка.
Рис.4 – Принцип работы полупроводникового выпрямителя
От этого прибора – один только шаг к транзисторному радиоусилителю стереофонических сигналов (рис.5).
1 – входной сигнал; 2 – выходной сигнал.
Рис.5 Принцип работы транзисторного усилителя
В этом случае используют две пластины кремния с электронной проводимостью, между которыми находится тонкая пластина кремния с дырочной проводимостью. Если отрицательная полярность будет слева, а положительная справа, тогда тонкая пластина кремния с дырочной проводимостью определяет работу прибора, занимая стратегическое положение.
При положительном смещении этой пластины относительно отрицательно зараженного электрода происходит выброс электронов через p-n-переход и (в случае действительно тонкой пластины) посылка этих электронов через p-n-переход к положительно заряженному электроду. Но если расположенную в центре пластину кремния с дырочной проводимостью сделать более отрицательно заряженной (с помощью входного сигнала), она будет блокировать поток электронов и препятствовать возникновению дырок. Становиться ясно, что довольно слабый ток идущий к затвору p-типа, может регулировать намного больший по величине ток, проходящий через транзистор. Итак, мы создали усилитель. Очень слабый радиосигнал, наложенный на затвор p-типа, будет модулировать намного больший по величине ток от местного источника питания (батареи), создавая точную, но значительно усиленную копию входного сигнала на выходе. Если входным сигналом будет даже слабый сигнал от звукоснимателя или устройства воспроизведения магнитной записи, мощность выходного сигнала может возрасти в 1000 раз. При каскадном включении нескольких транзисторов входной сигнал может легко привести в действие модный громкоговоритель.
Многие помнят начало эры радио и телевидения (а также дистанционной телефонной связи и магнитофонов). Принцип действия этих приборов основан на функционировании ламповых усилителей. А некоторые еще помнят детекторные приемники. Кристаллический детектор представляет собой примитивное полупроводниковое устройство. Поэтому можно сказать, что мы начали с полупроводников и дорогих электровакуумных приборов, а теперь вновь возвращаемся к полупроводникам (правда, в настоящее время – это намного более совершенные полупроводниковые устройства). Электровакуумные приборы заменили на меньшие по размеру и более прочные транзисторы, которые потребляют к тому же немного меньше энергии (так как не имеют термокатодов). Существуют даже микроскопические транзисторы, которые сокращают время пролета электронов (следовательно, моно выполнять на ЭВМ намного больше вычислений в минуте). Кроме того, оказалось, что сверхчистый кремний для транзисторов можно использовать также в солнечных элементах (для генерирования электроэнергии от солнечного света), детекторах излучения (для замены счетчиков Гейгера) и в запоминающих схемах (для хранения огромного количества информации с последующим быстрым ее поиском). Нет сомнения в том, что мы еще не знаем о пределах применения кремния.
Сверхчистый кремний существенно отличается от неочищенного промышленного 98 %-ного кремния. Содержание примесей в полупроводниковом кремнии должно составлять 3 или 4 части на 1000000000 (такая удивительная чистота достигается только при использовании специальной технологии). Наилучшим сырьем являются побочные продукты от производства силиконов. Реакция взаимодействия метилхлорида с кремнием протекает с образованием незначительного количества других элементов при аналогичных условиях, и поэтому отсутствуют такие примеси, как железо, алюминий, марганец и кальций. Кроме того, тщательная перегонка (также необходимый этап получения силиконов) исключает другие примеси. В результате образуются прошедшие двойную очистку соединения, которые нельзя использовать для получения кремнийорганических полимеров, но они являются очень ценным сырьем для производства сверхчистого элементарного кремния.
Заключение
Необходимо отметить, что кремний применяется во многих крупнотоннажных производствах.
Кремний используется в сплавах на основе железа для изготовления коррозионностойких труб и при получении кремнистой стали для электротехнической промышленности. Для этого вместо кремния 98 %-ой чистоты можно использовать ферросилиций. Из кремнистой стали делают сердечники для трансформаторов и электродвигателей переменного тока. Кремний – очень слабый проводник, введение его в количестве 10-12 % в сталь значительно повышает ее электрическое сопротивление, при этом за счет уменьшения вихревых токов уменьшаются потери электроэнергии. Кроме того, при добавлении кремния сталь становиться настолько пластичной что ее можно штамповать слоями из тонких листов без механической обработки, что позволят снизить ее себестоимость. Именно поэтому во всем электрооборудовании переменного тока используется кремнистая сталь.
Кремний входит в состав алюминиевых сплавов, которые применяются при создании самолетов, трапов и т.д. Чистый алюминий – мягкий металл, добавление кремния повышает его механическую прочность (подобно тому как мягкое железо становиться твердой прочной сталью в результате кристаллизации твердых частиц карбида железа). Кремний незначительно растворяется в расплавленном алюминии, особенно в присутствии меди и магния. Обычно термообрабатываемый сплав содержит приблизительно 0,8 % , 4,4 % , 0,4 % и 0,8 % . После отливки или горячей штамповки сплав подвергают термообработке для выкристаллизации зерен силицида и упрочнения алюминиевой матрицы. Фактически получается композиционный материал.
Кремний является компонентом легких сплавов магния – конструкционного материала, используемого при создании практически всего: о самолетных трапов до автомобильных колес. Кремний растворяют в расплавленном магнии, из которого при охлаждении выделяются зерна , существенно увеличивающие прочность сплава.
Кремний используют для получения кремнийорганических полимеров. Тысячи тонн 98 %-ного промышленного кремния перерабатывают каждый год в летучие метилхлорсиланы (в результате реакции негорячего, измельченного в порошок кремния с метилхлоридом). Полученные хлориды отделяют перегонкой, а затем используют в производстве уникальных силоксанового каучука, силиконовых масел и смол. Эти процессы стали новой отдельной отраслью промышленности, которая снабжает другие отрасли промышленности силиконами с уникальными свойствами.
Наконец, сверхчистый кремний – основной полупроводниковый материал для транзисторов, выпрямителей. Микропроцессоров и интегральных схем для ЭВМ. Эти устройства, принцип действия которых основан на свойствах элементного кремния, существенно изменили мир, в котором мы живем так как именно полупроводниковые устройства сделали возможным создание современных радио и телевидения, систем связи, систем слежения за космическими летательными объектами, удивительных вычислительных машин и персональных компьютеров, которые выполняют множество обычных математических расчетов и различных рутинных операций по делопроизводству.
Список литературы
Воронков М.Г., Зелган Г.И. Лукевиц Э.Я. Кремний и жизнь. – Рига: Зинатне, 1971.
Воронков М.Г., Милешкевич В.П. Силоксановая связь. Новосибирск: Наука, 1976.
Рохов Е.Д. Мир кремния. / пер. с англ. Никитина А.Д., под ред. Соболевского М.В. – М.: Химия, 1990.
Соболевский М.В., Музовская О.А. Свойства и область применения кремнийорганических продуктов. – М.: Химия, 1975.

Список литературы [ всего 4]

Список литературы
1.Воронков М.Г., Зелган Г.И. Лукевиц Э.Я. Кремний и жизнь. – Рига: Зинатне, 1971.
2.Воронков М.Г., Милешкевич В.П. Силоксановая связь. Новосибирск: Наука, 1976.
3.Рохов Е.Д. Мир кремния. / пер. с англ. Никитина А.Д., под ред. Соболевского М.В. – М.: Химия, 1990.
4.Соболевский М.В., Музовская О.А. Свойства и область применения кремнийорганических продуктов. – М.: Химия, 1975.

Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.

* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.

Начиная с конца 1950-х гг., кремний становится ведущим полупроводниковым материалом благодаря успешному развитию методов зонной плавки для очистки полупроводников. По распространенности он второй элемент после кислорода. Кремний является основным компонентом ИС, транзисторов.

Содержание

Введение
1. Кремний
2. Получение кремния для подложек интегральных схем
3. Физические и химические свойства
4. Физика и химия полупроводников
5. Применение кремния в современной микроэлектронике
Заключение
Список использованных источников

Введение

“…Кремний вырисовывается в мироздании как, элемент, обладающий исключительным значением”, – В. И. Вернадский.

Чистый кремний (примесей может быть меньше 10%) — важнейший полупроводник, основа современной микроэлектроники, так как обладает уникальными свойствами: кремний технологичен, инертен в обычных условиях, выдерживает высокие температуры, сопровождающие процесс изготовления приборов и интегральных схем. Для создания диэлектрических слоев нет необходимости специально искать диэлектрические материалы – собственный окисел SiO 2 , формируемый на кремнии, выполняет Изолирующие и маскирующие функции. Его запасы практически безграничны.

1. Кремний

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: 28 Si (92,27%), 29 Si (4,68%) и 30 Si (3,05%).

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.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

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 могут существовать в виде отдельных частиц или соединяться, образуя цепи, ленты, кольца, слои или трехмерные каркасы

2. Получение кремния для подложек ИС

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 очи-стка технического кремния очень сложна, его обычно переводят в легколе-тучие 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: взаимодействиятехнического 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):

Нужна помощь в написании реферата?

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.

3. Физические и химические свойства

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/м 3 . Кремний значительно легче германия, а также несколько темнее и прочнее. Подвижность электронов и дырок в монокристаллическом кремнии при комнатной температуре составляет μ_n=1500 см 2 /В с; μ_p=480 см 2 /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 10 5 ом см. Такой кремний должен содержать примесей не более чем 10 8 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:

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

Нужна помощь в написании реферата?

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 (Si 4+ ) и “жёсткое” основание (F — ).

2H₂O + Si = SiO₂ + 2H₂↑

В более концентрированных щелочах при pH = 11 – 14 происходит растворение SiO₂ и реакция идёт иначе:

4. Физика и химия кремния

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 мм 2 , в то время как в интегральных схемах их площадь не превышает 10 мм 2 (т.е. квадрат со стороной 10 мкм).

Нужна помощь в написании реферата?

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.

Маленькую пластинку монокристаллического кремния n-типа окисляют путем нагревания в О₂ или парах Н₂О, при этом на поверхности образуется тонкий слой SiO₂.
Этот оксидный слой покрывают фоточувствительной пленкой, называемой фоторезистом.
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.
Незащищенные участки Si подвергают травлению плавиковой кислотой (HF), оставшийся фоторезист также удаляется.
Поверхность обрабатывают парами элемента 13-й группы, примесные атомы диффундируют в незащищенные участки и образуют слой Si р-типа.
Стадии 1-5 повторяют с другой маской, и новые участки обрабатывают парами элемента 15-й группы, при этом образуется слой Si n-типа.
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 10 5 бит информации.

5. 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

Если сказать, что в XX век электроника развивалась бурно, значит, ничего не сказать. Скорее её развитие напоминало извержение вулкана.

Чем определилось столь стремительное развитие этой отрасли промышленности? Ведь менее 50 лет назад обычная мобильная связь и обычный персональный компьютер существовали только в фантастических рассказах.

Научные знания и изобретательность инженеров конструкторов и технологов создали это чудо, которым мы сегодня пользуемся. Создание модели атома и квантовая механика определили выделение в отдельный класс полупроводниковых материалов, и началась эпоха создания твердотельных электронных приборов. Эта область промышленности сейчас называется: микроэлектроника.

Основными химическими элементами для создания изделий микроэлектроники являются германий и кремний. На начальном этапе – это кристаллические слитки диаметром от 30 до 200 мм, которые разрезаются на пластины, толщина которых бывает различной, но в основном толщина полупроводниковой пластины – 300 – 350 микрон. Рабочая поверхность пластины полируется до 14 класса чистоты, чтобы убрать все механические нарушения кристаллической решётки.

Кремний, по сравнению с германием, является идеальным материалом для микроэлектронного производства благодаря большому проценту его содержания в земной коре и уникальным технологическим свойствам. На этом материале легко создается диэлектрический слой двуокиси кремния путем обычного термического окисления. Толщина диэлектрика обычно находится в пределах 0, 3 – 1, 5 микрона, но такого слоя достаточно для защиты кремния от диффузии примесей и хорошей диэлектрической изоляции p – n переходов.

Плотность упаковки топологических элементов кремниевой микросхемы зависит от технологической возможности создания минимального размера и рациональной компоновки элементов на площади кристалла. Но не только миниатюризация играет главную роль в нашем стремлении уменьшить размеры топологических элементов, но и быстродействие изделия электронной техники. И размеры элемента как плоскостные, так и залегание p – n переходов по глубине играют в этом вопросе определяющую роль.

Сейчас в производстве кремниевых микросхем активно используются субмикронные размеры при формировании p – n переходов и многоуровневая металлическая разводка, толщиной в несколько микрон. Всё это трудно себе представить, но это то, что мы сейчас используем в обыденной жизни, ведь освоенный в промышленности топологический размер в 0, 5 микрона – это 500 нанометров.

Как самостоятельный химический элемент кремний стал известен человечеству всего лишь в 1825 году. Что, конечно, не мешало применять соединения кремния в таком количестве сфер, что проще перечислить те, где элемент не используется. Данная статья прольет свет на физические, механические и полезные химические свойства кремния и его соединений, области применения, также мы расскажем о том, как влияет кремний на свойства стали и иных металлов.

Что такое кремний

Для начала давайте остановимся на общей характеристике кремния. От 27,6 до 29,5% массы земной коры составляет кремний. В морской воде концентрация элемента тоже изрядная – до 3 мг/л.

По распространенности в литосфере кремний занимает второе почетное место после кислорода. Однако наиболее известная его форма – кремнезем, является диоксидом, и именно его свойства и стали основой для столь широкого применения.

О том, что такое кремний, расскажет этот видеосюжет:

Понятие и особенности

Кремний – неметалл, однако при разных условиях может проявлять и кислотные, и основные свойства. Является типичным полупроводником и чрезвычайно широко используется в электротехнике. Физические и химические его свойства во многом определяются аллотропным состоянием. Чаще всего дело имеют с кристаллической формой, поскольку ее качества более востребованы в народном хозяйстве.

Кремний – один из базовых макроэлементов в человеческом теле. Его нехватка губительно сказывается на состоянии костной ткани, волос, кожи, ногтей. Кроме того, кремний оказывает влияние на работоспособность иммунной системы.
В медицине элемент, вернее говоря, его соединения нашли свое первое применение именно в этом качестве. Вода из колодцев, выложенных кремнием, отличались не только чистотой, но и положительно сказывалась на стойкости к инфекционным болезням. Сегодня соединение с кремнием служат основой для препаратов против туберкулеза, атеросклероза, артрита.
В целом неметалл малоактивен, однако и в чистом виде встретить его сложно. Связано это с тем, что на воздухе он быстро пассивируется слоем диоксида и перестает реагировать. При нагревании химическая активность увеличивается. В результате человечество гораздо ближе знакомо с соединениями вещества, а не с ним самим.

Так, кремний образует сплавы практически со всеми металлами – силициды. Все они отличаются тугоплавкостью и твердостью и применяются на соответствующих участках: газовые турбины, нагреватели печей.

Плюсы и минусы

Как и всякое другое вещество с точки зрения применения в народном хозяйстве, кремний обладает определенными полезными или не слишком качествами. Важны они именно для определения области использования.

Немалым достоинством вещества является его доступность. В природе он, правда, находится не в свободном виде, но все же, технология получения кремния не так уж и сложна, хотя и энергозатратна.
Второе важнейшее достоинство – образование множества соединений с необыкновенно полезными свойствами. Это и силаны, и силициды, и диоксид, и, конечно, разнообразнейшие силикаты. Способность кремния и его соединений образовывать сложные твердые растворы практически бесконечна, что позволяет бесконечно же получать самые разные вариации стекла, камня и керамики.
Полупроводниковые свойства неметалла обеспечивает ему место базового материала в электро- и радиотехнике.
Неметалл является нетоксичным, что допускает применение в любой отрасли промышленности, и при этом не превращает технологический процесс в потенциально опасный.

К недостаткам материала можно отнести лишь относительную хрупкость при хорошей твердости. Кремний не используется для несущих конструкций, но зато это сочетание позволяет обрабатывать должным образом поверхность кристаллов, что важно для приборостроения.

Давайте теперь поговорим про основные свойства кремния.

Свойства и характеристики

Поскольку в промышленности чаще всего эксплуатируется кристаллический кремний, то именно его свойства и являются более важными, и именно они и приводятся в технических характеристиках. Физические свойства вещества таковы:

температура плавления – 1417 С;
температура кипения – 2600 С;
плотность составляет 2,33 г/куб. см, что свидетельствует о хрупкости;
теплоемкость, как и теплопроводность не постоянны даже на самых чистых пробах: 800 Дж/(кг·К), или 0,191 кал/(г·град) и 84-126 вт/(м·К), или 0,20-0,30 кал/(см·сек·град) соответственно;
прозрачен для длинноволнового ИК-излучения, что используется в инфракрасной оптике;
диэлектрическая проницаемость – 1,17;
твердость по шкале Мооса – 7.

Электрические свойства неметалла сильно зависят от примесей. В промышленности эту особенность используют, модулируя нужный тип полупроводника. При нормальной температуре кремний хрупок, но при нагревании выше 800 С возможна пластическая деформация.

Свойства аморфного кремния разительно отличаются: он сильно гигроскопичен, намного активнее вступает в реакцию даже при нормальной температуре.

Структура и химический состав, а также свойства кремния рассмотрены в видеоролике ниже:

Состав и структура

Кремний существует в двух аллотропных формах, одинаково устойчивых при нормальной температуре.

Кристаллический имеет вид темно-серого порошка. Вещество, хотя и имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, является хрупким – из-за чересчур длинной связи между атомами. Интерес представляют его свойства полупроводника.
При очень высоких давлениях можно получить гексагональную модификацию с плотностью 2,55 г/куб. см. Однако эта фаза практического значения пока не нашла.
Аморфный – буро-коричневый порошок. В отличие от кристаллической формы намного активнее вступает в реакцию. Связано это не столько с инертностью первой формы, сколько с тем, что на воздухе вещество покрывается слоем диоксида.

Кроме того, необходимо учитывать и еще один тип классификации, связанный с величиной кристалла кремния, которые в совокупности образуют вещество. Кристаллическая решетка, как известно, предполагают упорядоченность не только атомов, но и структур, которые эти атомы образуют – так называемый дальний порядок. Чем он больше, тем более однородным по свойствам будет вещество.

Монокристаллический – образец представляет собой один кристалл. Структура его максимально упорядочена, свойства однородны и хорошо предсказуемы. Именно такой материал наиболее востребован в электротехнике. Однако он же относится к самому дорогому виду, поскольку процесс его получения сложен, а скорость роста низка.
Мультикристаллический – образец составляет некоторое количество крупных кристаллических зерен. Границы между ними формируют дополнительные дефектные уровни, что снижает производительность образца, как полупроводника и приводит к более быстрому износу. Технология выращивания мультикристалла проще, потому и материал дешевле.
Поликристаллический – состоит из большого количества зерен, расположенных хаотически относительно друг друга. Это наиболее чистая разновидность промышленного кремния, применяется в микроэлектронике и солнечной энергетике. Довольно часто используется в качестве сырья для выращивания мульти- и монокристаллов.
Аморфный кремний и в этой классификации занимает отдельную позицию. Здесь порядок расположения атомов удерживается только на самых коротких дистанциях. Однако в электротехнике он все же используется в виде тонких пленок.

Далее мы расскажем вам про сырье для производства кремния, вредность добычи, технологию его изготовления в мировых масштабах и в России.

Производство неметалла

Получить чистый кремний не так уж и просто, учитывая инертность его соединений и высокую температуру плавления большинства из них. В промышленности чаще всего прибегают к восстановлению углеродом из диоксида. Проводят реакцию в дуговых печах при температуре 1800 С. Таким образом получают неметалл чистотой в 99,9%, что для его применения недостаточно.

Полученный материал хлорируют с тем, чтобы получить хлориды и гидрохлориды. Затем соединения очищают всеми возможными методами от примесей и восстанавливают водородом.

Очистить вещество можно и за счет получения силицида магния. Силицид подвергают действию соляной или уксусной кислоты. Получают силан, а последний очищают различными способами – сорбционным, ректификацией и так далее. Затем силан разлагают на водород и кремний при температуре в 1000 С. В этом случае получают вещество с долей примеси 10 -8 –10 -6 %.

Применение вещества

Для промышленности наибольший интерес представляют электрофизические характеристики неметалла. Его монокристаллическая форма является непрямозонным полупроводником. Свойства его определяются примесями, что позволяет получать кристаллы кремния с заданными свойствами. Так, добавка бора, алюминия, индия дает возможность вырастить кристалл с дырочной проводимостью, а введение фосфора или мышьяка – кристалл с электронной проводимостью.

Кремний в буквальном смысле слова служит основой современной электротехники. Из него изготавливают транзисторы, фотоэлементы, интегральные схемы, диоды и так далее. Причем функциональность прибора определяет практически всегда только приповерхностный слой кристалла, что обуславливает весьма специфические требования именно к обработке поверхности.
В металлургии технический кремний применяют и как модификатор сплавов – придает большую прочность, и как компонент – в бронзах, например, и как раскислитель – при производстве чугуна.
Сверхчистый и очищенный металлургический составляют основу солнечной энергетики.
Диоксид неметалла встречается в природе в очень разных формах. Его кристаллические разновидности – опал, агат, сердолик, аметист, горный хрусталь, нашли свое место в ювелирном деле. Не столь привлекательные внешне модификации – кремень, песок, кварц, используются и в металлургии, и в строительстве, и в радиоэлектротехнике.
Соединение неметалла с углеродом – карбид, применяется и в металлургии, и в приборостроении, и в химической промышленности. Он является широкозональным полупроводником, отличается высокой твердостью – 7 по шкале Мооса, и прочностью, что и позволяет применять его в качестве абразивного материала.
Силикаты – то есть, соли кремниевой кислоты. Неустойчивы, легко разлагаются под действием температуры. Примечательность их в том, что они образуют многочисленные и разнообразные соли. А вот последние являются основой при производстве стекла, керамики, фаянса, хрусталя, цемента и бетона. Можно смело сказать, что современное строительство зиждется на разнообразных силикатах.
Стекло представляет здесь наиболее интересный случай. Основой его служат алюмосиликаты, но ничтожные примеси других веществ – обычно оксидов, придают материалу массу разных свойств, в том числе и цвет. Керамика – клинкер, фаянс, фарфор, по сути, имеет ту же формулу, хотя и с другим соотношением компонентов, и ее разнообразие тоже поразительно.
Неметалл обладает еще одной способностью: образует соединения по типу углеродных, в виде длинной цепочки из атомов кремния. Такие соединения носят название кремнийорганических. Сфера их применения не менее известна – это силиконы, герметики, смазки и так далее.

Кремний – очень распространенный элемент и имеет необыкновенно большое значение в очень многих сферах народного хозяйства. Причем активно используется не только само вещество, но все его разнообразные и многочисленные соединения.

кремний
его свойства и применение в современной электронике

Физические свойства. Кремний, его свойства и применение в современной электронике ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Кристаллическая структура кремния Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр, а = 0,54 307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда — 5,81· 1015 м?3 (для температуры 300 K).

Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5· 1010 см?3.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью, в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью, в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

При создании электронных приборов на основе кремния задействуется преимущественно приповерхностный слой материала (до десятков микрон), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами.

Подвижность электронов: 1200—1450 смІ/(В· c).

Подвижность дырок: 500 смІ/(В· c).

Ширина запрещённой зоны 1,205−2,84· 10?4·T.

Продолжительность жизни электрона: 5 нс — 10 мс Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 — 0,06 см Все значения приведены для нормальных условий.

Читайте также: