Опубликовано Оставить комментарий

Кремний как основа полупроводниковой промышлености

Кремний является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 14 и условным обозначением Si. Кремний при нормальных условиях представляет собой твердое хрупкое кристаллическое вещество с сине-серым металлическим блеском.


Открытие

Йонс Якоб Берцелиус —шведский химик и врач получивший чистый кремний
Йонс Якоб Берцелиус —шведский химик и врач получивший чистый кремний

Из-за огромного количества кремния в земной коре природные материалы на основе кремния использовались на протяжении многих веков. Камни содержащие кремний использовались в качестве орудий труда еще в каменном веке. Помимо этого силикатные соединения использовались в строительных растворах, для укрепления древних построек.

Только в 1787 году Антуан Лавуазье предположил, что кремнезем может быть оксидом фундаментального химического элемента, но химическое сродство кремния к кислороду настолько велико, что у него не было возможности восстановить оксид и изолировать элемент. После попытки изолировать кремний в 1808 году сэр Хамфри Дэви предложил название «кремний» для нового химического элемента, от латинского слова silex.

Сегодня в большинстве научных сообществ считается, что Гей-Люссак и Тенар получили аморфный кремний в 1811 году путем нагревания недавно выделенного металлического калия с тетрафторидом кремния. Они не смогли очистить его и не описали полученное вещество, но самое главное, что они не идентифицировали его как новый химический элемент.

Современное название элемент получил в 1817 году от шотландского химика Томаса Томсона. В 1824 году Йонс Якоб Берцелиус получил аморфный кремний, используя примерно тот же метод, что и Гей-Люссак (восстановление фторосиликата калия расплавленным металлическим калием), но очищая продукт до коричневого порошка путем многократной промывки. В том же году Берцелиус первым получил тетрахлорид кремния.

Кремний в его более распространенной кристаллической форме был получен только в 1854 году французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девилем. Чистый элемент удалось получить путем электролиза смеси хлорида натрия и хлорида алюминия, содержащей приблизительно 10% кремния. Позднее были разработаны более экономически эффективные методы получения этого химического элемента. Тем временем исследования по химии кремния продолжались. Фридрих Велер открыл первые летучие гидриды кремния, синтезировав трихлорсилан в 1857 году и сам силан в 1858 году, но детальное исследование было проведено только в начале 20 века Альфредом Стоком.


Характеристики

Физические характеристики
Состояние при Н.У. Твердое
Температура плавления 1414 ° С
Точка кипения 3265 °С
Плотность при Н.У. 2,3290 г/см 3
Твердость по шкале Мооса 6.5
Критическая точка
Мол. теплота плавления 50.6 кДж/моль
Мол. теплота испарения 383 кДж/моль
Мол. теплоемкость 20,16 Дж/(моль·К)
Молярный объем 12,1 · 10 -6 м 3 ·моль -1
Химические характеристики
Атомный номер(Z) 14
Атомная масса 28.086
Электронная конфигурация 3s² 3p²
Радиус атома 132 пм
Ковалентный радиус 111 пм
Степени окисления -4; -3; -2; -1; 0, +1, +2; +3; +4
Радиус иона 42 пм
Электроотрицательность 1.90 (шкала Полинга)
Энергия ионизации 786 кДж/моль
Изотопы ²⁶Si; ²⁷Si; ²⁸Si; ²⁹Si; ³⁰Si; ³¹Si; ³²Si

Добыча и производство

Кремний в металлическом виде
Кремний в металлическом виде

Применение кремния в последние десятилетия расширилось до огромных масштабов. Кремний чистотой 96–99% в промышленных масштабах получают карботермическим восстановлением кварцита или кремниевого песка. Восстановление проводят в электродуговой печи с избытком SiO2 используется для предотвращения накопления карбида кремния (SiC):

SiO2 + 2C → Si + 2CO

2SiC + + 2SiO2 → 3Si + 2CO

Данная реакция, известная как карботермическое восстановление диоксида кремния, обычно проводится в присутствии железного лома с низким содержанием фосфора и серы , образуя ферросилиций. Ферросилиций, железо-кремниевый сплав, который содержит различные соотношения элементарного кремния и железа, составляет около 80% мирового производства элементарного кремния. Ведущими производителями кремния являются Китай, Россия, Бразилия и США. Ферросилиций по большей своей части используется в черной металлургии в качестве легирующей добавки в чугуне или стали, а также для раскисления стали на металлургических заводах.

Другая реакция, которую используют для производства кремния, является алюминотермическое восстановление диоксида кремния:

3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2О3

При выщелачивании порошкообразного кремния чистотой 96–97% водой получается кремний чистотой ~98,5%, который используется в химической промышленности. Однако для использования в полупроводниковых целях необходима еще большая чистота, и ее получают восстановлением тетрахлорсилана (тетрахлорида кремния) или трихлорсилана. Первый изготавливается путем хлорирования кремниевого лома, а второй является побочным продуктом производства силикона. Эти соединения летучи и могут быть очищены путем многократной фракционной перегонки с последующим восстановлением до элементарного кремния с использованием очень чистого металлического цинка в качестве восстановителя.

Полученные таким образом губчатые кусочки кремния плавятся, а затем выращиваются с образованием цилиндрических монокристаллов. В последствие кристаллы очищаются зонным рафинированием. Другие пути используют термическое разложение силана или тетраиодсилана ( SiI4). Другой используемый процесс — восстановление гексафторосиликата натрия, обычного отхода производства фосфатных удобрений, металлическим натрием. Он сильно экзотермичен и, следовательно, не требует внешнего источника энергии. Сверхтонкий кремний производится с более высокой чистотой, чем почти любой другой материал. Производство транзисторов требует уровня примесей в кристаллах кремния менее 1 части на 1010, а в особых случаях необходимы и достигаются уровни примесей ниже 1 части на 1012.


Применение

Большая часть кремния используется в промышленности без очистки, часто со сравнительно небольшой переработкой его естественной формы. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов, которые представляют собой соединения кремния и кислорода, часто с ионами металлов, когда отрицательно заряженные силикатные анионы требуют катионов для уравновешивания заряда. Многие из них имеют прямое коммерческое использование, например, глины, кварцевый песок и большинство видов строительного камня. Таким образом, подавляющее большинство применений кремния приходится на использование в качестве структурных соединений, либо в виде силикатных минералов, либо в виде кремнезема (сырого диоксида кремния).

Силикаты используются при производстве портландцемента (состоящего в основном из силикатов кальция), который используется в строительном растворе и современной штукатурке, но в сочетании с кварцевым песком и гравием (обычно содержащим силикатные минералы, такие как гранит), для изготовления бетона , который является основой большинства крупнейших промышленных строительных проектов современного мира.

Кремнезем используется для изготовления огнеупорного кирпича, разновидности керамики. Силикатные минералы также присутствуют в белой керамике — важном классе изделий, обычно содержащих различные типы обожженных глинистых минералов (природные слоистые силикаты алюминия). Примером является фарфор, в основе которого лежит силикатный минерал каолинит. Традиционное стекло (натриево- известковое стекло на основе кремнезема) функционирует во многом таким же образом, а также используется для изготовления окон и контейнеров. Кроме того, специальные стекловолокна на основе диоксида кремния используются для производства оптического волокна, а также для производства стекловолокна для структурной поддержки и стекловаты для теплоизоляции.

Силиконы часто используются в гидроизоляционных материалах, формовочных массах, антиадгезивах, механических уплотнениях, высокотемпературных смазках и восках, а также в составах для уплотнения. Силикон также иногда используется в грудных имплантатах, контактных линзах, взрывчатых веществах и пиротехнике. Другие соединения кремния действуют как высокотехнологичные абразивы и новая высокопрочная керамика на основе карбида кремния. Кремний входит в состав некоторых суперсплавов.

Большая часть производимого элементарного кремния остается в виде сплава ферросилиция, и только около 20% очищается до металлургической чистоты (всего 1,3–1,5 миллиона метрических тонн в год). По оценкам, 15% мирового производства кремния металлургического качества подвергается дальнейшей очистке до полупроводниковой чистоты. Обычно чистота для полупроводниковой промышленности составляет 99,99%, практически бездефектный монокристаллический материал.

Монокристаллический кремний такой чистоты обычно производится методом Чохральского и используется для производства кремниевых пластин, используемых в полупроводниковой промышленности, в электронике, а также в некоторых дорогостоящих и высокоэффективных фотоэлектрических приложениях. Чистый кремний является собственным полупроводником, а это означает, что в отличие от металлов он проводит электронные дырки и электроны, высвобождаемые из атомов под действием тепла. Электропроводность кремния увеличивается с повышением температуры. Чистый кремний имеет слишком низкую проводимость (то есть слишком высокое удельное сопротивление ), чтобы его можно было использовать в качестве элемента схемы в электронике. На практике чистый кремний легируют небольшими концентрациями некоторых других элементов, которые значительно увеличивают его проводимость и регулируют его электрический отклик, контролируя количество и заряд (положительный или отрицательный) активированных носителей. Такой контроль необходим для транзисторов, солнечных элементов, полупроводниковых детекторов и других полупроводниковых устройств, используемых в компьютерной индустрии и других технических приложениях. В кремниевой фотонике кремний может использоваться в качестве среды рамановского лазера непрерывного действия для производства когерентного света.


Безопасность

Люди могут подвергнуться воздействию элементарного кремния на рабочем месте, вдыхая его, проглатывая или контактируя с кожей или глазами. В последних двух случаях кремний представляет небольшую опасность в качестве раздражителя. Так же это представляет опасность при вдыхании. Управление по охране труда Европейского Союза установило законный предел воздействия кремния на рабочем месте на уровне 15 мг/м3 общего воздействия и 5 мг/м3 воздействия на органы дыхания в течение восьмичасового рабочего дня. Вдыхание пыли кристаллического кремнезема может привести к силикозу — профессиональному заболеванию легких, характеризующемуся воспалением и рубцеванием в виде узловых поражений в верхних долях легких.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *