Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Тема:Методы получения кремния и его физико-химические свойства

Выполнил:

Минск 2014

Оглавление

Введение 3

1 Физические свойства кремния 4

2 Аллотропные модификации кремния 7

2.1 Кристаллический кремний 7

2.2 Аморфный кремний 12

3 Получение 13

4 Химические свойства 16

5 Применение 20

Заключение 21

Список использованных источников 22

Введение

Кремний – один из самых распространенных в земной коре элементов. Он составляет 27,5% масс. доступной нашему исследованию части земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. Соединения крения, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой (изготовление стекл) началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). В природе кремний встречается только в соединениях в виде диоксида кремния SiO₂, называемого также кремниевым ангидридом или кремнеземом, и в виде солей кремниевых кислот(силикатов). Входя в состав всех органических веществ, является важнейшим элементом растительного и животного царства.

Химический элемент кремний Si расположен в третьем периоде, в главной подгруппе IV группы периодической системы. Он является электронным аналогом углерода и, подобно ему, в большинстве соединений четырехвалентен

Наибольшее применение кремний находит в производстве сплавов для придания прочности алюминию, меди и магнию и для получения ферросилицидов, имеющих важное значение в производстве сталей и полупроводниковой техники. Кристаллы кремния применяют в солнечных батареях и полупроводниковых устройствах – транзисторах и диодах. Кремний служит также сырьем для производства кремнийорганических соединений, или силоксанов, получаемых в виде масел, смазок, пластмасс и синтетических каучуков. Неорганические соединения кремния используют в технологии керамики и стекла, как изоляционный материал и пьезокристаллы.

1 Физические свойства кремния

Компактный кремний – вещество серебристо-серого цвета с металлическим. блеском. Кристаллическая решетка устойчивой модификации кубическая. гранецентрированная типа алмаза. При высоких давлениях существуют другие. полиморфные модификации: при 20 ГПа – кремний Iс тетрагональной решеткой (а=0,4686 нм, с=0,2585 нм), выше 20 ГПа – кремний II с кубической (а=0,644 нм) и кремний III с гексагональной (а=0,380 нм, с=0,628 нм). При кристаллизации из газовой фазы на поверхностях с температурой ниже 600°С образуется аморфный кремний. Для кристаллического кремния температура плавления составляет 1415 °С (плавится с уменьшением объема на 9%), температура кипения – 3249 °С; плотность – 2,33 г/см3; молярная теплоемкость – 20,16 Дж/(моль.К); энтальпия плавления – 49,9 кДж/моль, энтальпия испарения – 445,2 кДж/моль; энтропия(298 К) 18,9 Дж/(моль.К); давление пара – 0,046 Па (1415 °С); температурный коэффициент линейного расширения – 3,72*10⁶ и 0,6*10⁶ К^-1 (84 К); теплопроводность – 95,5 Вт/(м*К); температура Дебая 645 К; диамагнетик, магнитная восприимчивость – 3,9*10⁶. При обычных условиях кремний хрупок, выше 800 °С становится пластичным. Кремний прозрачен для ИК излучения при длинах волн l>1 мкм; коэффициент преломления 3,565 (l=1,05 мкм), 3,443 (l=2,6 мкм), 3,45 (l = 2,1 мкм); отражательная способность 0,3 (l>1,5 мкм).

Кремний – полупроводник; ширина запрещенной зоны 1,21 эВ при температуре около 0 К и 1,09 эВ при 300 К; концентрация носителей тока в кремнии с собственной проводимостью 1,5-1016 м³ (300 К); температурная зависимость подвижности электронов и дырок [м²/(В.с)] определяется соотв. выражениями: mn=4,0.105Т^2,6 (300[T[400 К) и mр = 2,5.104T^2,3 (150[T[400 К); при 300 К mn= 0,145 м²/(В.с), mp=0,048 м²/(В.с), коэффициент диффузии электронов 3,5*10³ м²/с, дырок – 1,3*10^-3 м²/с. Электрофизические свойства кремния зависят от природы и концентрации присутствующих примесей и структурных дефектов. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью используют легирующие добавки В, Al, Ga, In (акцепторные примеси), с электронной проводимостью – Р, As, Sb (донорные примеси). Примеси Аu, Сu, Fe, Mn, V и некоторые другие существенно снижают время жизни носителей тока в монокристаллах кремния. Максимальная растворимость примесей в кремнии наблюдается при 1200-1300°С и может быть грубо оценена по значению коэффициента. распределения между твердым кремнием и его расплавом. Акцепторные примеси в кремнии имеют большие значения коэффициента диффузии, чем донорные. Ряд примесей (Li, Сu, Аu) диффундирует по междоузлиям кристаллической решетки с очень высокими скоростями. Для определения содержания примесей в кремнии высокой чистоты используют прецизионные методы: спектральный и активационный анализ, метод ЭПР и др. Производят монокристаллы кремния без дислокаций диаметром до 0,156 м. Основные дефекты в таких монокристаллах кремния – скопления собственных

междоузельных атомов, вакансий и атомов остаточных примесей. Для определения природы и содержания структурных дефектов в кремнии применяют избирательное травление (в основном смесью кислот: HF, HNO3 и СН3СООН), рентгеновский и др. методы. Электрические свойства кремния могут сильно изменяться при термической обработке. Так, нагревание монокристаллов, содержащих кислород, до 400–500 °С приводит к увеличению электронной проводимости, а при послед. нагревании до 1000-1200 °С этот эффект пропадает. Обычно термическая обработка приводит к существенному снижению времени жизни носителей тока. Для предотвращения вредного действия термической обработки используют предварительную обработку поверхности монокристаллов кремния специальными органическими реактивами, отжиг в хлорсодержащей атмосфере, грубую шлифовку, бомбардировку ионами и др. методы.

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает. Особенно активен расплавленный кремний. Координационное число атома кремния 4, иногда 6 (например во фторосиликатах, содержащих анион [SiF6]2^-). Соединения, где кремний формально двухвалентен, по-видимому, содержат связь Si—Si и, как правило, полимерны. Благодаря образующейся на поверхности защитной оксидной пленке кремний устойчив на воздухе даже при повышенных температурах. Окисляется кислородом выше 400°С до SiO2. Стоек к действию кислот, взаимодействует только со смесью HNO3 и фтористоводородной кислоты. С парами S при 600 °С дает дисульфид SiS2, который выше 600 °С переходит в моносульфид SiS