3

Содержание

• Введение 3
• 1. Кремний - камень, дающий огонь 5
• 2. Физико-химические свойства кремния 10
• 3. Кремний - основной материал полупроводникового производства 12
• Заключение 14
• Список литературы 15

Введение

Кремний - широко распространённый элемент в природе. В земной коре его 27.6%. атомный вес кремния 28.06. температура плавления 1415°C, температура кипения около 2600°C. Технология получения его отличается от технологии получения германия. Исходное сырьё в виде двуокиси кремния широко распространено в природе. Из кремнезёма в дуговых электрических печах путём восстановления его углеродом кокса получают кремний чистотой до 97%. Восстановление протекает по уравнению

SiO2+2C=Si+2CO.

Путём хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшим методом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русского химика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:

SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2.

Здесь пары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют с парами цинка.

В настоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакция протекает по уравнению:

SiCl4+2Н2=Si+4НCl.

Кремний получается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получения кремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистого титана.

Чтобы получить чистыми германий и кремний, их очищают от примесей зонной плавкой аналогично тому, как получают чистый титан.

Для целого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковые материалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическом материале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.

При вращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся в следующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которого имеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла. Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. В результате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезают пластинки, используемые в полупроводниковых приборах.

Маркировку германия и кремния производят по буквенно-цифровой системе. Германий электронный, легированный сурьмой, обозначают ГЭЛС. За буквами цифры указывают удельное сопротивление ом·см (ом·м), а если их две группы, как, например, 0,3/0,2, то первые (0,3) означают удельное сопротивление, а вторые (0,2) - диффузионную длину неосновного носителя тока, мм. Кремний монокристаллический дырочный маркируют КМ-2, где цифра показывает удельное сопротивление ом·см; кремний монокристаллический электронный маркируют КМЭ-2.

1. Кремний - камень, дающий огонь

Третьим элементом, наиболее распространенным в природе, является кремний. Название этого элемента произошло от латинского «ляпис креманс», что значит - камень, дающий огонь. Так назывался твердый камень, дававший при ударе искру и долгое время служивший человеку вместо спичек для получения огня. После изобретения огнестрельного оружия кремень использовали для зажигания пороха в кремневых ружьях и пистолетах.

«Камень, дающий огонь», или кремень, как обычно называют его, - одно из многочисленных соединений кремния, часто входящее в состав большинства горных пород.

Это песок морских берегов, рек, бескрайних пустынь, мощные отложения глин, песчаники и сланцы, граниты и гнейсы, горные хребты и земная кора на глубину до 20 км состоят, главным образом, из соединений кремния. На долю кремния приходится около 17 % от общего числа атомов земной коры, или 30% от ее веса. И не случайно академик А. Е. Ферсман назвал кремний основой земной коры.

Самым распространенным в природе соединением кремния является кремнезем, или кварц.

Чистая и прозрачная разновидность кварца, называемая горным хрусталем, была известна уже древним грекам. Они считали горный хрусталь льдом, так сильно замерзшим, что он навсегда утратил способность таять. Греки называли горный хрусталь кристаллом - «кристаллос», что значило лед. Впоследствии это слово вошло в минералогию и, получив широкое распространение, стало употребляться для обозначения твердых тел, имеющих форму правильных многогранников.

Кроме горного хрусталя, кристаллы которого достигают иной раз огромной величины (нескольких метров), кварц встречается в природе в виде окрашенных соединений. Среди них чистые и прозрачные разновидности, окрашенные в фиолетовый (аметисты) и в лимонно-желтый цвет (цитрины) относятся к числу драгоценных и полудрагоценных самоцветов. Общее число разновидностей кварца достигает двухсот, количество природных соединений, содержащих кварц, измеряется многими сотнями.

Сейчас невозможно точно сказать, кто и когда изобрел стекло, так же как невозможно указать, кто и когда впервые обжег горшок, слепленный из глины. Известно лишь, что стекло является одним из древнейших изобретений человечества. Так, ожерелье, найденное на шее мумии египетской царицы Хатшепсут, состоящее из зеленовато-черных стеклянных бусин, насчитывает 3400 лет. Еще старше возраст стеклянной бусины из могилы города Фив, насчитывающей 5500 лет.

Высокого совершенства в стеклоделии достигли мастера древнего Рима. О большом искусстве получения цветных стекол свидетельствует мозаичный пол с изображением цепной собаки. Эта мозаика была обнаружена в одном из домов при раскопках Помпеи. Еще более оригинальна мозаика в вилле римского императора Адриана, известная в искусстве под названием "Неподметенный пол". Выложенная на полу столовой, она изображает его неподметенным: на полу разбросаны кости от съеденной дичи, хлебные крошки, различный мусор.

Римские стеклоделы были также большими мастерами производства различных изделий из стекла. Они делали кувшины для воды, масла и вина; чаши и кубки, вазы; специальные сосуды, так называемые труллы, служившие для омовения рук; слезницы - крошечные флакончики для духов. Некоторые из таких предметов дошли до наших дней; они бережно хранятся в музеях крупнейших городов Западной Европы. Среди образцов подлинного искусства особого упоминания заслуживает ваза Аюджио из дома богача Мелегера в Помпее. Это красивейший сосуд из темно-синего стекла, украшенный венком из винограда и плюща, сделанным из мелочно-белого стекла. Подобным шедевром является и ваза, найденная в гробнице римского императора Александра Севера, из темно-голубого стекла, украшенная резными рисунками, изображающими греческий миф о Язоне и волшебнице Медее.

Изучение состава древнерусских стекол домонгольского времени показывает замечательную самобытность русских мастеров, сумевших создать совершенно оригинальную рецептуру. Наиболее типичными для древнерусского самобытного стеклоделия являются свинцово-кремнеземные, калиево-свинцово-кремнеземные стекла. Из них древнерусские умельцы изготовляли бусы, браслеты, мозаику, посуду, оконные стекла. Свинцово-кремнеземные стекла были обнаружены также в Польше. В других странах стекла такого состава еще не найдены.

Одно из самых древних изобретений - стекло - приобрело в жизни человека огромное значение. Стекло видно всюду, оно на каждом шагу - в повседневности нашего быта, в промышленности, в технике, в науке, в произведениях искусств. Оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло домашней, хозяйственной, лабораторной посуды и аппаратов; стекло оптическое - от стекол очков до сложных анастигматов фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов - от микроскопов, открывающих огромный, но для простого глаза невидимый мир, до телескопов, уносящих нас в бесконечные просторы мироздания. Трудно перечислить все области применения стекла и невозможно сосчитать различные предметы, сделанные из него.

Большой вклад в развитие художественного стеклоделия в России был внесен Ломоносовым. В созданной им в 1748 г. химической лаборатории было проведено около 4000 опытов по варке цветного стекла, для которых Ломоносов «не только рецепты сочинял, но и материалы ... своими руками по большей части развешивал и в печь ставил...».

На основе рецептов, разработанных Ломоносовым, стекольный завод, также созданный его усилиями в Усть-Рудице в 1753 г., начал изготовлять стекло: «разноцветное прозрачное для выделки бисера, стекляруса, посуды и прочих «галантерейных изделий»; и непрозрачное, так называемая смальта, для мозаики». Из смальты Ломоносов выполнил несколько мозаичных картин, среди которых "Полтавская баталия" получила наибольшую известность и сохранилась до наших дней.

Успехи химии в области изучения свойств стекла сделали его материалом, из которого изготовляются несгораемые ткани, театральные занавеси, декорации, ковры, изоляционные ленты, вата, войлок и многие другие предметы техники и быта.

Ценные свойства кварца (пропускает ультрафиолетовые лучи, малый коэффициент расширения, химическая инертность, тугоплавкость и др.) обеспечили ему широкое применение в различных областях науки и техники.

Тончайшие, исключительно прочные, нити, получаемые из кварца, расплавленного в пламени гремучего газа, применяются в точных электроизмерительных приборах и инструментах для подвешивания деталей (стрелок, указателей, рычагов и т. д.). Из тугоплавкого кварцевого стекла изготовляют термометры для измерения высоких температур. Малый коэффициент расширения позволяет употреблять кварц для изготовления сосудов, трубок, лабораторной посуды и разнообразной химической аппаратуры, применяемой в условиях резких колебаний температуры. Оптические свойства кварца обеспечивают его применение в производстве всевозможных оптических приборов, в изготовлении ламп «горного солнца», в устройстве закрытых соляриев и т. д.

Есть еще много других минералов, содержащих соединения кремния, которые также находят разнообразное применение в технике. Одни из них за прочность и красивый вид (гранит, порфир, лабрадор и др.) используются как строительный и отделочный материалы; другие, обладая исключительной твердостью, применяются в качестве так называемых точных камней в разнообразных измерительных приборах, от часовых механизмов до аналитических весов и аппаратов специального назначения; третьи - цементы, обладая способностью в смеси с другими веществами связывать воедино щебень, камни, кирпичи, широко применяются в строительстве; четвертые - за безукоризненную прозрачность, чистоту и блеск ценятся как самоцветы и, наконец, пятые, обладающие пестрой, яркой, необычной окраской (яшмы, нефрит, халцедоны), употребляются в художественных изделиях, которые украшают дворцы и музеи.

Важнейшее соединение кремния - кремнезем - необходим для жизни растений и животных. В растениях кремнезем накапливается в стеблях, что значительно повышает их механическую прочность. Как бы ни были сильны порывы бури и удары водяных струй грозового ливня, тонкие колосья хлебных злаков выдерживают их, гнутся иной раз до самой земли, но не ломаются. Кремнезем входит в состав не только крупных растений, но и мельчайших из них - диатомовых водорослей. Кремний нужен и животным. Птицы без кремнезема не создают прочной скорлупы яиц. Некоторые виды губок строят опорные образования своего тела также из кремнезема. Нежные комочки живой материи, известные под названием радиолярий, создают непревзойденные по своей красоте скелеты из кремнезема. Кремнезем есть и в организме человека. Больше всего содержится кремнезема в стекловидном теле глаза, где количество его достигает до 0,06% по весу. Однако биологическая роль кремнезема в человеческом организме до сих пор еще недостаточно ясна.

2. Физико-химические свойства кремния

Кремний - это мелкий бурый порошок или серые, твердые, но довольно хрупкие кристаллы (пл. 2,4). В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит тепло, обладает металлическим блеском. Однако электропроводность, столь характерная для металлов, у кремния весьма мала и составляет 0,001 электропроводности ртути.

Кремний тугоплавок (он плавится при 1415°С), кипит же при 2360°С. При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании выше 500°С становится реакционноспособным и соединяется с кислородом, серой, хлором, бромом и другими элементами. Хорошо растворяясь в расплавленных металлах, кремний образует с некоторыми из них (железом, медью, платиной и др.) силициды.

В технике применяют сплав кремния с железом- ферросилиций. Ферросилиций непосредственно используется для изготовления кислотоупорных изделий. В металлургии ферросилиций применяется для введения кремния в различные сорта специальных сталей.

Новейшие достижения химии по получению чистейшего кремния открывают широкую дорогу в области полупроводниковой техники. Создание кремниевых выпрямителей следует считать одним из величайших достижений современной науки. С помощью кремния, в некоторой мере, была осуществлена мечта о непосредственном преобразовании солнечной энергии в электрическую. Искусственные спутники Земли получали электричество от солнечных кремниевых батарей. Она не только обеспечивала энергией всю аппаратуру спутника, но и заряжала их аккумуляторы, вступавшие в строй при переходе спутника в область земной тени. Успехи химии высокомолекулярных соединений ввели в круг интересов химиков-синтетиков и кремний.

Способность кремния соединяться с кислородом, образуя цепные структуры (так называемые силоксановые группировки), дает возможность получать большое число различных соединений. Среди них - смазочные масла, сохраняющие присущие им свойства в интервале температур от -60°С до +200° С; антипенные жидкости, предупреждающие вскипание смазочных масел в механизмах; соединения, обладающие водоотталкивающими свойствами; изоляционные материалы; пластмассы и многие другие вещества.

До недавнего времени казалось, что наука многое знает о кислородных соединениях кремния. Но оказывается, что при очень высоких давлениях происходит перестройка кристаллов. В лаборатории академика Л. Ф. Верещагина было получено соединение кремния с кислородом, которое имеет особую структуру и высокую плотность, равную 4,35, т. е. почти на 64% больше, чем у кварца.

Расчеты показывают, что средняя плотность Земли 5,5, а это, по мнению ученых, означало наличие железа и других тяжелых металлов в глубоких слоях. А не состоят ли глубокие слои из этого нового минерала, названного американскими учеными стиповеритом по первым буквам имени молодого ученого-комсомольца Стишова С. и еще двух ученых - Попова и Верещагина, открывших этот минерал.

Любопытно, что минерал стиповерит теперь обнаружен и в кратере Аризонского метеорита, о котором написано в рассказе о железе.

В свободном состоянии кремний был получен французскими учеными Гей-Люссаком и Тенаром в 1811 г., однако истинную природу кремния установил спустя 14 лет шведский химик Я. Берцелиус.

Оригинальным путем (реакцией цинка с хлористым соединением кремния) свободный кремний был получен в 1865 г. русским ученым Н. Н. Бекетовым.

3. Кремний - основной материал полупроводникового производства

В настоящее время из всех полупроводниковых материалов наибольшее применение для изготовления полупроводниковых ИМС получил кремний. Кремний - элемент IV группы Периодической системы элементов Д.И.Менделеева, один из самых распространенных элементов на Земле, содержание его в земной коре составляет 29,5%. В природе кремний встречается только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,99%; в ряде месторождений чистота песка составляет 99,8-99,9%.Технический кремний, получаемый восстановлением двуокиси кремния SiO2 в электрической дуге между графитовыми электродами, содержит около 1% примесей и как полупроводник не может быть использован; он является исходным сырьем для получения кремния полупроводниковой чистоты, примесей в котором должно быть менее разработана промышленная технология, позволяющая получать особо чистый кремний с содержанием примесей Более широкое применение кремния обусловлено преимуществом его физических и технологических свойств по сравнению с другими полупроводниками (в частности, с германием).Для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС используют выпускаемые промышленностью пластины кремния четырех видов:

1) Однослойные p- и n- типов;

2) Двухслойные р- или n- типа с эпитаксиальным n-слоем, покрытые оксидом либо нитридом кремния;

3) Двухслойные р-типа с эпитаксиальным n- слоем и скрытым n+- слоем;

4) Гетероэпитаксиальные структуры типа кремний на сапфире. Однослойные пластины кремния р- и n-типов получают резкой слитков монокристаллического кремния диаметром 50-150 мм на пластины толщиной 0,25-0,4 мм. Промышленностью выпускаются слитки монокристаллического кремния, которые в зависимости от типа электропроводности и значения удельного сопротивления подразделяются на пять групп. Подготовка пластин, получаемых из слитков монокристаллического кремния, является одним из важнейших этапов производства ИМС и включает в себя следующие операции: ориентацию слитков по кристаллографическим осям, резку слитков на пластины, шлифование, полирование, травление и очистку поверхностей от загрязнений различных типов, приобретённых на предыдущих этапах обработки.

Заключение

Таким образом, кремний - это мелкий бурый порошок или серые, твердые, но довольно хрупкие кристаллы (пл. 2,4). В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит тепло, обладает металлическим блеском. Однако электропроводность, столь характерная для металлов, у кремния весьма мала и составляет 0,001 электропроводности ртути.

Кремний тугоплавок (он плавится при 1415°С), кипит же при 2360°С. При комнатной температуре кремний инертен, но при нагревании выше 500°С становится реакционноспособным и соединяется с кислородом, серой, хлором, бромом и другими элементами. Хорошо растворяясь в расплавленных металлах, кремний образует с некоторыми из них (железом, медью, платиной и др.) силициды.

В технике применяют сплав кремния с железом- ферросилиций. Ферросилиций непосредственно используется для изготовления кислотоупорных изделий. В металлургии ферросилиций применяется для введения кремния в различные сорта специальных сталей.

Новейшие достижения химии по получению чистейшего кремния открывают широкую дорогу в области полупроводниковой техники. Создание кремниевых выпрямителей следует считать одним из величайших достижений современной науки. С помощью кремния, в некоторой мере, была осуществлена мечта о непосредственном преобразовании солнечной энергии в электрическую. Искусственные спутники Земли получали электричество от солнечных кремниевых батарей. Она не только обеспечивала энергией всю аппаратуру спутника, но и заряжала их аккумуляторы, вступавшие в строй при переходе спутника в область земной тени. Успехи химии высокомолекулярных соединений ввели в круг интересов химиков-синтетиков и кремний.

Список литературы

1. Браун Д.А. Новые материалы в технике. Издательство «Высшая школа», М. 1999,194 с.

2. Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов // Электронная промышленность. 1989. №8

3. Шалимова К.В. «Физика полупроводников» Изд. «Энергия» 1999.