Какое свойство кремния широко используется в радиоэлектронике

УПС, страница пропала с радаров.

*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением

Вам может понравиться Все решебники

Никольский

Никольский, Потапов

Алексеев, Николина

Габриелян, Остроумов, Сладков

Котова, Лискова

Иванов, Кузнецова

Рыбченкова

Рыбченкова, Александрова, Глазков

©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.

Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.

Электрохимический метод микроструктурирования монокристаллов кремния (краткий обзор) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Власов В.В., Скворцов A.M.

Рассматривается получение пористого кремния методом электрохимического травления в растворе плавиковой кислоты. Описаны химические процессы, происходящие во время травления, механизм образования пор и зависимость структуры и свойств полученного пористого слоя от условий, при которых проводилось травление

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Электрохимический метод микроструктурирования монокристаллов кремния (краткий обзор)»

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ (КРАТКИЙ ОБЗОР)

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор А.М. Скворцов

Химический элемент кремний (Si) — второй после кислорода по распространенности на Земле. Его содержание в земной коре оценивается в 27,6 мас. %. Важнейшее достоинство кремния заключается в том, что во многих его разновидностях — монокристаллической, поликристаллической или аморфной — проявляются его полупроводниковые свойства. В настоящее время монокристаллический кремний (mono-Si) представляет собой основной материал микроэлектронной техники. На базе mono-Si выпускаются разнообразные полупроводниковые приборы — от дискретных диодов и транзисторов до сверхсложных интегральных схем и процессоров.

Кроме того, широко используется высокая фоточувствительность кремния (изменение электропроводности при освещении), что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую. Этот эффект находит применение в кремниевых фотоприемниках и солнечных батареях. Однако обратный процесс, т.е. достаточно эффективное преобразование электрической энергии в видимый свет, в кремниевых устройствах осуществить пока не удается. Последнее связано с особенностями электронных свойств кремния.

Электронные свойства кремния можно изменить посредством формирования на его основе наноструктур — пространственно разделенных кремниевых участков с минимальными размерами в несколько нанометров (1 нм = 10-9 м). В этом случае носители заряда (электроны и дырки) приобретают дополнительную энергию вследствие квантоворазмерного эффекта. Рассматриваемый эффект ведет к увеличению ширины запрещенной зоны наноструктуры по сравнению с монокристаллом этого материала.

Обычно технология создания наноструктур в виде так называемых квантовых ям, нитей и точек довольно сложна. Кроме того, полученные результаты пока не позволяют говорить о практическом использовании подобных кремниевых структур в светоизлу-чающих полупроводниковых устройствах. Однако еще в 1956 г. А. Улиром (A. Uhlir) [1] был получен так называемый пористый кремний (por-Si). Этот материал представлял собой mono-Si, в котором в результате электрохимического травления образовалось огромное количество мельчайших пор. Плотность пор в некоторых образцах была столь большой, что происходило их перекрытие, и непротравленные участки кремния имели вид кораллоподобной системы нитей переменного сечения (рис. 1). Минимальные размеры сечения кремниевых нитей и их изолированных участков (кластеров) в пористом слое составляют, по данным электронной микроскопии, единицы нанометров. Por-Si обычно формируется как слой на поверхности пластины mono-Si, что очень важно для использования в микроэлектронике.

В конце 1990 г. в науке о полупроводниках произошла настоящая сенсация. Доктор Л. Кэнхэм (L. Canham) из Великобритании [2] сообщил о наблюдении эффективной красно-оранжевой фотолюминесценции из por-Si при комнатной температуре; величина h составляла 1-10%. Практически одновременно о сходных результатах информировала группа исследователей из Франции. [1] Авторы этих работ прямо связывали наблюдаемую люминесценцию с квантоворазмерным эффектом в наноструктурах порис-

того слоя. Результаты заинтересовали специалистов, и вскоре было получено сообщение о наблюдении электролюминесценции (ЭЛ) в данном материале. При ЭЛ излучение света происходит в результате прохождения электрического тока в полупроводнике, приводящего к возбуждению электронов и дырок с последующей их рекомбинацией. Количество публикаций в ведущих физических научных журналах по por-Si (огромную долю их составляет проблема люминесценции por-Si) стало лавинообразно расти и в настоящее время приближается к тысяче статей в год.

Рис. 1. Структуры пор слоев пористого кремния, приготовленного в различных условиях [3]

Такой резкий подъем интереса к por-Si был обусловлен принципиальной возможностью применения por-Si в качестве излучающего в видимом диапазоне света материала оптоэлектроники. За короткий период 1991-1996 гг. были проведены исследования квантоворазмерного эффекта в por-Si. Первые работы в этой области относятся к 1991-1992 гг. [4]. Кроме этого, были сделаны первые попытки реализации светодиодов на por-Si, а также получены образцы por-Si с сине-зеленой фотолюминесценцией. К сожалению, все созданные лабораторные варианты светоизлучающих приборов обладали низким квантовым выходом и быстро (в течение нескольких минут) деградировали. Таким образом, наиболее актуальными стали задачи повышения внешнего квантового выхода и стабилизации люминесценции por-Si. Последнее позволило бы совершить качественный скачок в развитии полупроводниковой технологии.

Исследования люминесценции por-Si в период 1995-2002 гг. посвящены вопросам поиска путей стабилизации свечения por-Si за счет модификации исходного пористого слоя или за счет изменения условий формирования por-Si, а также исследованию механизмов деградации фото- и электролюминесценции [1].

Получение пористого кремния

Первоначально por-Si предполагалось использовать в качестве изолятора активных приборов микроэлектроники. С этой точки зрения наиболее интересными аспектами por-Si были проводимость, морфология пор, контакт mono-Si — пористый слой и некоторые другие. Именно поэтому до середины 1990-х гг. было достаточно много работ, посвященных вопросам формирования por-Si. Проведенные исследования позволили выявить электрохимические реакции, протекающие в процессе образования пор, структуру por-Si и влияние условий травления на размер частиц в пористом слое. Особенно важным приложением результатов этих работ стало то, что теперь, задавая определенные режимы электрохимического травления кремния, можно получать необходимую структуру и размеры пор в образце [5].

Наиболее распространенным в современной литературе методом формирования por-Si является метод электрохимического травления пластины mono-Si в растворе, содержащем плавиковую кислоту. Причем порообразование наиболее эффективно происходит только при анодном травлении, когда на пластину mono-Si подается положи-

тельный потенциал относительно электролита, и порообразования практически не происходит в случае обратной полярности [6]. Для mono-Si п-типа проводимости еще одним дополнительным условием формирования por-Si является подсветка поверхности пластины Si для генерации свободных дырок в приповерхностном слое образца [5]. Вторым электродом (катодом) обычно служит платиновая пластина. При подходящем выборе плотности электрического тока на поверхности mono-Si происходит формирование пористого слоя. Относительно деталей механизма порообразования в литературе до сих пор нет единого мнения.

Наличие положительных носителей заряда является необходимым условием протекания следующей химической реакции растворения кремния:

S i F.t+2 R11″ —> HjS ¡ F¿

В тех же условиях, что и при травлении кремния, но при большем приложенном потенциале, возможно протекание другой электрохимической реакции, отвечающей за его полировку, когда в результате образуется лишь матовая поверхность без формирования самого пористого слоя. Процесс электрополировки начинается лишь при превышении анодным потенциалом некоторого критического значения, величина которого зависит от концентрации молекул HF в травителе, типа проводимости пластины кремния, концентрации в ней свободных носителей и освещенности.

Предполагается, что при анодной обработке в электролитах, содержащих плавиковую кислоту, на поверхности электрода протекают следующие реакции: электрохимическая реакция образования бифторида кремния

Si + 2HF + 2е+ = SiF2 + H2f, (1)

химическое восстановление кремния из бифторида кремния

2SiF = Si +SiF4 (2)

SiF4 + 2HF = H2SiF6,

химическое окисление бифторида кремния до двуокиси кремния и его растворение в плавиковой кислоте

SiF2 + 2Н20 = Si02 + 2HF + Н2,

Si02 + 4HF = SiF4 + 2Н20, (3)

SiF4 + 2HF = H2SiF6.

В зависимости от условий обработки одна из реакций (2 или 3) преобладает, в результате чего происходит либо образование por-Si (реакции 1 и 2), либо электрополировка (реакции 1 и 3) [7]. Варьируя в процессе травления величину анодного потенциала, можно переходить из области травления в область полировки. Данный прием применяется для образования свободных слоев por-Si, когда после образования пористого слоя через образец пропускается большой ток, в результате чего происходит локальная электрополировка на остриях образовавшихся пор и отсоединение пористого слоя от подложки. Подобные слои свободного por-Si применяют для исследования оптических спектров пропускания [8].

Однако полученные пленки неоднородны. Чтобы избавиться от этого недостатка, в приповерхностный слой монокристаллической кремниевой подложки имплантируют ионы кремния, фтора и хлора, т.е. ионы тех элементов, которые не обладают электрической активностью в кремнии. Результатом этого процесса является то, что травление происходит на всей поверхности пластины, и образующиеся пленки por-Si отличаются от анод-

ных пленок значительно большей однородностью. Но и эти пленки не лишены недостатка. Время травления в зависимости от дозы имплантации достигает 10 часов. Интенсификация процесса была достигнута применением более сложного травителя, составленного на основе плавиковой и азотной кислот с добавкой фтористого аммония [9]:

8 об. ч. (40% ОТ ) + 5 об. ч. (65% НШз ) + 9 об. ч. (40% (Ш)^).

Время формирования пленок рог^ в этом травителе не превышает 15 мин. Выбранный состав травителя обеспечивает также высокую латеральную локальность формирования пленок рог^.

Анализ реакций, протекающих при анодной обработке кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты, показывает, что процесс образования пористого материала определяемся, главным образом, двумя факторами [7]:

• процессом доставки ионов фтора в зону реакции и образованием бифторида кремния (фактор, связанный с электролитом и режимом анодной обработки);

• наличием подвижных носителей заряда положительного знака в приповерхностном слое кремниевого анода (фактор, связанный с электрофизическими свойствами кремния).

В связи с этим процессы анодной обработки кремния дырочного и электронного типов проводимости из-за различий в концентрации подвижных носителей положительного заряда, представленных дырками, будут существенно отличаться.

Дальнейшая интенсификация процесса формирования пленок наноструктуриро-ванного кремния обеспечивается травителем, в котором идет процесс формирования пористой структуры кремния без специального создания дефектов. Травитель представляет собой смесь концентрированных фторсодержащих и азотной кислот [10]. Фторсодержащие кислоты выбраны в качестве основного компонента травителя. Константа диссоциации этих кислот на несколько порядков выше, чем у плавиковой кислоты, что обеспечивает более полное насыщение «оборванных» химических связей на поверхности кристаллического кремния. Травление в этом растворе происходит следующим образом. На первой стадии азотная кислота стравливает естественный окисел кремния и затем вступает в реакцию с атомами на поверхности кремния. Результатом является оксид кремния, который стравливается фторсодержащей кислотой. Травление кремния происходит обычным образом, но с той лишь разницей, что концентрация молекул азотной кислоты подобрана так, чтобы молекулы находились друг от друга на достаточном расстоянии и окисление происходило не по всей плоскости пластины, а точечно. Полученные образцы рог^ характеризуются исключительно высокой стабильностью люминесцентных характеристик.

Механизм образования микроструктуры пор при анодном травлении кремния заключается в следующем. В самом начале травления на дефектах и примесях происходит зарождение пор за счет локального увеличения потенциала в этом месте и, соответственно, большой скорости химической реакции. Далее в процессе роста пор продолжается выщелачивание примесей, но этот процесс не является определяющим в образовании самой структуры пор. Интересен тот факт, что основным направлением формирования пор в кремнии является направление [11]. Просвечивающей электронной микроскопией, а также математическим моделированием данного процесса показано, что конечная структура пор близка к фрактальной. Этот результат логично вытекает из предположения простой диффузии свободных дырок в кремнии и их определяющего участия в реакции травления. Установлено, что толщина пленки [7] рог^ возрастает с увеличением продолжительности процесса анодной обработки. Вначале это соотношение линейно, причем наклон прямых увеличивается с ростом плотности анодного тока; при более длительной обработке линейность соотношения нарушается.

Скорость образования пленки [7 и 11] рог^ линейно растет с увеличением концентрации электролита. Температура электролита слабо влияет на скорость образования рог-

Si. Основное влияние на скорость роста пленок por-Si оказывает плотность анодного тока: для кремния с дырочной проводимостью она прямо пропорциональна плотности тока, для кремния с электронной проводимостью зависимости сложнее. При слабой интенсивности освещения скорость роста мало зависит от плотности тока, при повышении интенсивности освещения наблюдается увеличение скорости роста. Эти зависимости объясняются, по-видимому, тем, что при слабой интенсивности освещения недостаток дырок ограничивает протекание анодной реакции (1), несмотря на увеличение плотности тока, вызывающее повышение концентрации ионов фтора в зоне реакции.

Структура пористого слоя определяется плотностью тока, концентрацией HF в электролите и характером легирования кремниевой подложки. Так, например, для кремния с электронным типом проводимости (n-Si) или сильно легированного дырочного кремния (р+^i) поры имеют вид перпендикулярных поверхности каналов диаметром в десятки нанометров с более мелкими боковыми ответвлениями. Для образцов слабо легированного дырочного кремния (p-Si) или при освещении n-Si формируется структура в виде губки или коралла. Размеры пор и непротравленных участков при этом очень малы и составляют всего несколько нанометров.

На основании анализа экспериментальных данных по анодной обработке можно отметить области изменения параметров этого процесса и реально достижимые толщины и скорости роста пленок por-Si [7].

Концентрация плавиковой кислоты в электролите, %. 10-50

Плотность тока, мА/см2 5-300

Температура электролита, К 293-343

Интенсивность освещения (при обработке кремния n-типа), мВт/см2 20-60

Скорость роста пленок пористого кремния, мкм/с 0,01- 1

Толщина формируемых пленок пористого кремния, мкм 100-200

В данной статье только упомянуто об одном из самых замечательных свойств пористого кремния — фото- и электролюминесценции, потому что описание этого явление требует более глубокого изучения как процессов люминесценции, так и свойств por-Si.

Очевидно, дальнейшее изучение электронных и атомных процессов в этом материале представляет несомненный интерес как с чисто научной, так и с прикладной точек зрения. Это обусловлено возможностью создавать слои с различными размерами наноструктур, легко изменять состав внешнего слоя кремниевого скелета, тем самым модифицируя характер указанных процессов. Результаты, полученные учеными при исследовании пористого кремния, позволяют построить детальную картину электроники квантовых нитей и точек и использовать разработанные модели для создания элементов наноэлектроники, которая, очевидно, будет определять развитие информационных систем XXI века. По-видимому, найдет практическое применение и такое свойство пористого кремния, как чувствительность его электронных свойств к окружающей среде. Появляется принципиальная возможность создания сенсоров на различные молекулы, причем для считывания данных удобно использовать люминесцентное излучение. Указанные приборы могут быть использованы в экологии, медицине и т.д.

1. Ligeon M., Muller F., Herino R. Analysis of the electroluminescence observed during the anodic oxidation of porous layers formed on lightly p-doped silicon. // J. Appl. Phys. 1993. V. 74. №2. P.1265-1271

2. Canham L.T. // Appl. Phys. Lett. 1990. 57. 1146.

3. Gullis A.G., Canham L.T. The structural and luminescence properties of porous silicon. // Appl. Phys. Rev. 1997. V. 82(3). № 1. P. 909-965.

4. Brandt M.S., Fuchs H.D., Stutzmann M., Weber J. and Cardonna M. // Solid State Commun. 1992. V. 81. P. 300-342.

5. Бучин Э.Ю., Проказников А.В. Управление морфологией пористого кремния n-типа. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. В. 6. С. 80-84.

6. Зимин С.П. Классификация электрических свойств пористого кремния. // ФТП. 2000. Т. 34. В. 3. С. 359-363

7. Лабунов В.А., Бондаренко В.П. Пористый кремний в полупроводниковой электронике. // Зарубежная электронная техника. 1978. № 15 (185).

8. Белогоров А.И., Белогорохова А.И., Караванский В.А. Инфракрасная спектроскопия и фотолюминесцентные свойства пленок пористого кремния: влияние режимов формирования. // ФТП. 1994. Т. 28. В. 8. С. 1424-1430.

9. Симченко А.В., Юзова В.А. / Конференция «Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярский ГТУ. / http://www.rtf.kgtu.runnet.ru

10. Мордкович В.Н. «Кремний на изоляторе» — перспективный материал микроэлектроники. // Материалы электронной техники. 1998. В. 2. С. 4-7.

11. Smith R.L., Collins S.D. Porous silicon formation mechanisms. // J. Appl. Phys. 1992. V. 71. № 8. P. 1-22.

Какое свойство кремния широко используется в радиоэлектроники?

забейте в поисковике любом: Реферат на тему «Использование полупроводниковых свойств кремния в радиоэлектронике» бесплатно скачать.

И выбирайте, что посвежее, и скачивайте!

Источник: удачи в физике! 🙂
Остальные ответы

Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics. За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.
Технический кремний находит следующие применения:
сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин) ; раскислитель (при выплавке чугуна) ; модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей увеличивает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п. ;
сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;
иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
для производства солнечных батарей.

Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского
Cверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристальных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.
Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.) . Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.
Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.
Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.
Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Кремний: характеристики, особенности и области применения

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.

Размещается неметалл в таблице Д. И. Менделеева в 6 группе вместе с углеродом, германием, оловом, что указывает на определенную общность с этими веществами. Так, с углеродом его «роднит» способность к образованию соединений по типу органических. При этом кремний, как и германий может проявить свойства металла в некоторых химических реакциях, что используется в синтезе.

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

syire-dlya-proizvodstva-kremniya-1

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

syire-dlya-kremniya

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.

Данное видео расскажет о свойствах и применении кремния:

Какое свойство кремния широко используется в радиоэлектронике