Размещено на http: //www. allbest. ru/

1

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Физико-химические основы технологии электронных средств»

На тему: «Кремний и индексы Миллера»

Содержание

• Введение
• 1. Кремний
• 2. Получение Кремния
• 3. Физические и химические свойства
• 4. Электрофизические свойства
• 5. Применение кремния в современной микроэлектронике
• 6. Индексы Миллера
• Заключение
• Список литературы

Введение

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.

1. Кремний

Кремний - темно-серое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза. Это типичный полупроводник (проводит электричество лучше, чем изолятор типа каучука, и хуже проводника - меди). При высокой температуре кремний весьма реакционноспособен и взаимодействует с большинством элементов, образуя силициды, например, силицид магния Mg2Si, и другие соединения. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800°C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному (ИК) излучению.

Элементарный кремний - типичный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,09 эВ. Концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016 м-3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы - бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью - добавки элементов V-й группы - фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Рисунок 1 Кремний

2. Получение Кремния

Большая часть кремния технической чистоты используется далее в металлургических производствах. Только небольшая часть металлургического кремния очищается дальше для использования в полупроводниковой промышленности. Очистка такого кремния происходит следующим образом. Измельченный в порошок металлургический кремний смешивают с соляной кислотой в отсутствие воды при 300 °С в специальном реакторе и получают трихлорсилан SiHCl3.

Si + 3HCl > SiHCl3 + H2

В ходе этой реакции такие примеси, как Fe, Al, и B, образуют свои галоидные соединения (FeCl3, AlCl3, и BCl3). Низкая температура кипения SiHCl3, составляющая 31.8°С, используется для его очистки от примесей дистилляцией. В получившемся таким образом SiHCl3 концентрация электрически активных примесей, таких как Al, P, B, Fe, Cu или Au, составляет меньше одного атома на миллиард атомов кремния[viii].

Следующей стадией обработки кремния, предназначенного для использования в микроэлектронике, является получение монокристаллического кремния высокой чистоты. Вообще, кристаллический кремний высокой чистоты в зависимости от предназначения подразделяют на кремний солнечного качества и кремний электронного качества. Солнечный кремний содержит более 99.99% кремния по весу и используется для производства солнечных батарей. Электронный кремний - наиболее качественный, содержащий более 99.999% кремния по весу, используется для производства электронных приборов, микросхем, и т.д.[xii]. Для изготовления полупроводниковых пластин, на основе которых делают интегральные микросхемы, используется высокочистый электронный кремний с чистотой порядка 99.9999999% (т.н. «девять девяток»)[xiii]. Основная масса кристаллов кремния электронного качества является т.н. бездислокационными кристаллами, т.е. такими кристаллами, количество дефектов кристаллической решетки которых не превышает 10 штук на см2, однако, в некоторых случаях, для изготовления электронных приборов также применяются слитки с двойниковой (т.е. основанной на двух монокристаллах) или даже поликристаллической структурой.

Самым известным методом получения монокристаллического кремния высокой чистоты является метод Чохральского[xiv]. Выращивание монокристаллов методом Чохральского происходит следующим образом. Дробленый поликристаллический кремний (шихту) закладывают в кварцевый тигель. В установке создается атмосфера с необходимыми параметрами. Для монокристаллического кремния - это нейтральная аргоновая атмосфера с давлением не более чем 1/25 атмосферного. Изменяя давление и состав атмосферы можно регулировать содержание летучих легирующих компонентов в получающемся монокристалле. Навеска шихты нагревается до температуры порядка 1500 ?С, расплавляется, при этом подвод энергии ведется преимущественно снизу и с боков контейнера. Плавление и дальнейшее выдерживание расплавленного кремния производится в соответствии с определенными условиями, необходимыми для стабилизации потоков и равномерного распределения температуры.

Далее затравочный монокристалл, закрепленный на подвеске, опускают вниз и приводят в контакт с поверхностью расплава, где он оплавляется для удаления дефектов и обеспечения равномерного роста кристалла. После этого начинается вытягивание кристалла наверх в холодную зону, Размер получаемого кристалла регулируют, изменяя температуру расплава и скорость вытягивания. Также нужно учитывать, что при выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля. Так, для кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, главными загрязняющими элементами будут содержащиеся в кварце кислород, бор, фосфор, алюминий и железо. С другой стороны, в расплав также можно добавлять и легирующие компоненты, изменяющие в нужную сторону полупроводниковые свойства получаемого монокристалла. Интересно, что примесный кислород, попадающий в кристалл из кварца тигля, предотвращает загрязнение монокристалла атомами металлов, негативно влияющих на полупроводниковые свойства кремния, а также увеличивает его прочность.

После вытягивания кристалла нужного размера, температуру повышают, скорость вытягивания увеличивают, в результате кристалл сужается, после чего производится, отрыв слитка от расплава и его постепенное охлаждение. Все режимные параметры каждого из этапов процесса являются, как правило, ноу-хау конкретного производителя. В результате получаются цилиндрические слитки моно- или поликристаллической структуры с диаметром до 40 см. Несмотря на то, что метод Чохральского повсеместно используется для выращивания подложек в промышленных масштабах, полученный с его помощью кремний обладает некоторыми недостатками, которые не желательны, если ваша цель -- максимально возможный КПД, как, например, в лабораториях или при изготовлении элементов для солнечных батарей.

3. Физические и химические свойства

Физические свойства кремния

Кремний, как и германий, образует твёрдые ковалентные кристаллы со структурой алмаза. Температура плавления кремния 1421 єС. 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 мn=1500 см2/В с; мp=480 см2/В с. Как и в германии, в кремнии существуют два типа дырок: лёгкие с mл* = 0,16m и тяжёлых mт*=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 = SiF4.

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

Si + 2Cl2 = SiCl4.

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

Si + O2 = SiO2; ДHє = -911 кДж

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

2H2O(г) + Si(кр) = SiO2(кр) + 2H2(г), ДHє = -427 кДж, ДSє = -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 SiO2 и реакция идёт иначе:

H2O + Si + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2^

4. Электрофизические свойства

Элементарный кремний в монокристаллической форме является не прямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К -- 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет около 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 используется преимущественно приповерхностный слой монокристалла (толщиной до десятков мкм), поэтому качество поверхности кристалла может оказывать существенное влияние на электрофизические свойства кремния и, соответственно, на свойства созданного электронного прибора. При создании некоторых приборов используется технология модифицирующая поверхность монокристалла, например, обработка поверхности кремния различными химическими реагентами и её облучение.

Ш Диэлектрическая проницаемость: 12

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

Ш Подвижность дырок: 500 смІ/(В·c).

Ш Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.

Ш Время жизни свободных электронов: 5 нс -- 10 мс

Ш Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.

Ш Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2--0,6 мм.

5. Применение кремния в современной микроэлектронике

Кремний один из основных материалов в микроэлектронике и другой технике. Его используют для изготовления почти всех существующих на данный момент полупроводниковых приборов, таких как например: транзисторы, диоды и другие. Также он применяется в изготовление интегральных устройств. Кремниевые микросхемы являются основными компонентами в вычислительной мощности современных компьютеров и телефонов.

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.

Рисунок 2 Кремний в микросхеме

6. Индексы Миллера

кремний алмаз химический миллер

Индексы Миллера -- кристаллографические индексы, характеризующие расположение атомных плоскостей в кристалле. Индексы Миллера связаны с отрезками, отсекаемыми выбранной плоскостью на трёх осях кристаллографической системы координат (не обязательно декартовой). Таким образом, возможны три варианта относительного расположения осей и плоскости:

Ш плоскость пересекает все три оси

Ш плоскость пересекает две оси, а третьей параллельна

Ш плоскость пересекает одну ось и параллельна двум другим

Индексы Миллера выглядят как три взаимно простых целых числа, записанные в круглых скобках: (111), (101), (110)…

Рисунок 3 Плоскости с различными индексами Миллера в кубических кристаллах

Для работы с гексагональными решётками удобно использовать четырёх символьные индексы Миллера -- Браве (hkil), в которых третий элемент i означает удобную, но вырожденную (не несущую никакой дополнительной информации) компоненту, равную ?h ? k. Угол между компонентами h, i и k индекса составляет 120°, так что они не ортогональны. Компонента l перпендикулярна всем трём направлениям h, i и k.

Рисунок 4 Индекс Миллера -- Браве для гексагональной плотноупакованной решётки

Заключение

Кремний -- элемент вездесущий. В окружающей нас мертвой и живой природе и среди всех творений цивилизации трудно найти какой-либо объект, не содержащий этого элемента хотя бы в небольшом количестве. Но всё же кремний очень сильно отличается от других веществ. Он является основой нашей современной жизни. Каждый день мы общаемся по телефону, читаем электронные книги, просматриваем всемирную паутину и так далее. И всё это было бы невозможно без кремния. Его удивительные свойства позволяют ему быть основой для транзисторов, процессоров и диодов.

Список литературы

1. В. А. Валетов. Технология приборостроения: уч. пособие./ Ю. П. Кузьмин, А. А. Орлова, С. Д. Третьяков -2008.-204с.

2. Производство микропроцессоров 1: от песка до кремния// Портал: polymus.ru- [Электронный ресурс]. URL - https://polymus.ru/ru/pop-science/blogs/channels/himiya-buduschego/13564/

3. Кремний и электроника // Портал: timerobots.ru- [Электронный ресурс]. URL - https://timerobots.ru/razvlechenia/478-kremnij-i-jelektronika.html

4. Индексы Миллера // Портал: wiki.sc - [Электронный ресурс]. URL https://wiki.sc/wikipedia/Индексы_Миллера

5. Кремний, его свойства и применение в современной электронике // Портал: Allbest - [Электронный ресурс]. URL http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/vspomogatelnyie-veshhestva/kremniy.html

6. Кремний // Портал: wikipedia - [Электронный ресурс]. URL https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний

Размещено на Allbest.ru