Кре́мной элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. - презентация

1

2 Кре́мной элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium), неметалл. Простое вещество кремной имеет номер CAS

3 В чистом виде он был впервые выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенором. Жозеф Луи Гей-Люссак Луи Жак Тенор

4 Кристаллическая решётка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами SiSi по сравнению с длиной связи СС твёрдость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремной хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремной прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм. Собственная концентрация носителей заряда 5,81·1015 м 3 (для температуры 300 K). Кристаллическая структура кремния.

5 Элементарный кремной в монокристаллической форме является не прямозонным полупроводником. Ширина запрещённой 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 1,5·1010 см 3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремной вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремной вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

6 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, на свойства готового прибора. При создании некоторых приборов используются приёмы, связанные с модификацией поверхности, например, обработка поверхности кремния различными химическими агентами.

7 В соединениях кремной обычно проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или 4. Встречаются двухвалентные соединения кремния, например, оксид кремния (II) SiO. При нормальных условиях кремной химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров).

8 При нагревании до температуры свыше °C кремной реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, процесс сопровождается увеличением толщины слоя диоксида на поверхности, скорость процесса окисления лимитируется диффузией атомарного кислорода сквозь плёнку диоксида. При нагревании до температуры свыше °C кремной реагирует с хлором, бромом и иодом с образованием соответствующих легко летучих тетра галогенидов SiHal4 и, возможно, галогенидов более сложного состава. С азотом и бором кремной реагирует при температуре около 1000 °C, образуя соответственно нитрид Si3N4 и термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12.

9 С водородом кремной непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом силаны с общей формулой SinH2n+2 получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например: Ca 2 Si+4HCl=2CaCl 2 +SiH 4 Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (SiSiSi). 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+H2SiO3 Для травления кремния могут использоваться водные растворы щёлочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60 °C. 1. Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2 2. K2SiO3+2H2OH2SiO3+2KOH

10 При температурах свыше 1000 °C можно получить соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева углерода карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал. При этом, что интересно, расплав кремния (1415 °C) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним. Нижележащие элементы 4-й группы (Ge, Sn, Pb) неограниченно растворимы в кремнии, как и большинство других металлов. При нагревании кремния с металлами могут образовываться силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно- ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния 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.

11 Особо следует отметить, что с железом кремной образует эвтектическую смесь, что позволяет спекать (сплавлять) эти материалы для образования ферросилициевой керамики при температурах заметно меньших, чем температуры плавления железа и кремния. При восстановлении SiO2 кремнием при температурах свыше 1200 °C образуется оксид кремния (II) SiO. Этот процесс постоянно наблюдается при производстве кристаллов кремния методами Чохральского, направленной кристаллизации, потому что в них используются контейнеры из диоксида кремния, как наименее загрязняющего кремной материала. Для кремния характерно образование кремнойорганических 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 ещё два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

12 Технический кремной находит следующие применения : 1.сырьё для металлургических производств : компонент сплава ( бронзы, силумин ); раскислитель ( при выплавке чугуна и сталей ); модификатор свойств металлов или легирующий элемент ( например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта ) и т. п.; 2.сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния ( в литературе «umg-Si»); 3.сырьё для производства кремнойорганических материалов, силанов ; 4. иногда кремной технической чистоты и его сплав с железом ( ферросилиций ) используется для производства водорода в полевых условиях ; 5. для производства солнечных батарей. Монокристалл кремния, выращенный по методу Чохральского Сверхчистый кремной преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов ( нелинейные пассивные элементы электрических схем ) и однокристальных микросхем. Чистый кремной, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремной в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики. Монокристаллический кремной помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

13