Электрофизические свойства. - Физические, химические свойства и способы получения кремния

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным. Ширина запрещенной 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 1,5Ч1010 см.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы.

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 свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приемы связанные с модификацией поверхности, например, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

    1. Диэлектрическая проницаемость: 12. 2. Подвижность электронов: 1300--1450 смІ/(в-c). 3. Подвижность дырок: 500 смІ/(в-c). 4. Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84Ч10-4-T. 5. Продолжительность жизни электрона: 5 нс -- 10 мс. 6. Длина свободного пробега электрона: порядка 0,1 см. 7. Длина свободного пробега дырки: порядка 0,02 -- 0,06 см. 3. Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или ?4, так как для атома кремния более характерно состояние sp3-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырехвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным, при этом образуется летучий тетра фторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400--500 °C кремний реагирует с с образованием диоксида SiO2, с, и -- с образованием соответствующих легко летучих тетра галогенидов SiHalogen4.

С кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом -- с общей формулой SinH2n+2 -- получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами, например:

Ca2Si + 4HCl > 2CaCl2 + SiH4^.

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, Si2H6 и Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (--Si--Si--Si--).

С кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с -- термически и химически стойкие SiB3, SiB6и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева -- -- карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды, металлов и типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода --О--, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

    1. Si+2HNO3=SiO2+NO+NO2+H2O 2. SiO2+4HF=SiF4+2H2O 3. 3SiF4+3H2O=2H2SiF6+vH2SiO3

Для кремния могут использоваться водные растворы щелочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60°С.

    1. Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2^ 2. K2SiO3+2H2O-H2SiO3+2KOH 4. Способы получения

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния:

SiO2+2Mg=2MgO+Si,

Образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/смі.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси -- углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

    - Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путем предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью или кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и при температуре около 1000 °C. - Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путем непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым при температурах от 900 до 1100 °C. - Разрабатываются более дешевые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию моно оксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в дочищенном кремнии может быть снижено до 10?8--10?6% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Крупнейшим производителем кремния в России является ОКРусал -- кремний производится на заводах в г.(Свердловская область) и г. (Иркутская область).

Похожие статьи




Электрофизические свойства. - Физические, химические свойства и способы получения кремния

Предыдущая | Следующая