Практики / ПР_3_Kremniy_kak_osnovnoy_material_sovremennoy_mikroelektroniki
.docxКремний как основной материал современной микроэлектроники: свойства и технологии получения (свойства, использование)
Кремний (Si) - основной материал современной микроэлектроники благодаря сочетанию уникальных свойств, доступности сырья и отработанных технологий производства. Он лежит в основе большинства электронных устройств - от смартфонов и серверов до солнечных панелей и микропроцессоров.
Поговорим о некоторых свойствах кремния:
Полупроводниковые свойства.
Кремний - полупроводник с шириной запрещённой зоны около 1,12 эВ при комнатной температуре. Это позволяет использовать его для создания транзисторов, диодов и интегральных схем.
Кубическая кристаллическая решётка типа алмаза.
Параметр решётки — 0,543 нм.
Стабильный оксидный слой (SiO₂) на поверхности.
Выполняет изолирующие и маскирующие функции, что важно для планарной МОП-технологии (технологии, связанные с производством и применением полевых транзисторов со структурой «металл — оксид — полупроводник»).
Высокая температурная стабильность
Работает в диапазоне от комнатной температуры до 150–200 °C
Доступность сырья.
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода. В природе он чаще всего встречается в виде диоксида кремния (SiO₂), например, в кварце и песке.
Рассмотрим технологии получения кремния:
Получение технического (металлургического) кремния.
Сырьём служит чистый диоксид кремния, который восстанавливают углеродом в печах при температуре около 1700 °C. В результате получается технический кремний с чистотой около 99,9%.
Очистка кремния для микроэлектроники.
Для достижения необходимой чистоты кремний хлорируют, получая соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды очищают от примесей различными способами (например, перегонкой и диспропорционированием), а затем восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1200 °C.
Получение монокристаллов
Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют метод Чохральского (затвердевание атомов жидкой фазы на границе раздела жидкость/кристалл при постепенном вытягивании кристалла из расплава) и метод зонной плавки (суть метода зонной плавки заключается в том, что расплавленная область, получаемая методом индукционного высокочастотного нагрева, медленно движется вдоль всего кремниевого слитка. Примеси при этом не кристаллизируются, а стараются остаться в расплавленной области. Таким образом, после прохождения зоны расплава кристалл очищается от примесей.
Применение кремния в современной микроэлектронике
Основа для интегральных микросхем, процессоров, модулей памяти, контроллеров
Материал для транзисторов
Они являются ключевыми элементами электронных устройств. Транзисторы могут функционировать как усилители или переключатели, управляя потоками электрического тока.
Компонент диодов
Используются в выпрямителях, стабилизаторах напряжения и других устройствах.
Материал для солнечных элементов
Кремний преобразует солнечную энергию в электрическую.