Кремний (Si)

Кремний является элементом IV группы Периодической систе­мы химических элементов Д.И.Менделеева. После кислорода это самый распространенный элемент в земной коре. Он составляет при­мерно 1/4 массы земной коры. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие рас­пространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также пред­ставляют собой соединения кремния.

Из соединении кремний получают несколькими способами. Чаще всего используют метод восстановления четыреххлористого крем­ния SiCl₄ парами цинка или водорода:

SiCl₄+2Zn -> Si+2ZnClr

Реакция проводится при температуре 950 °С.

Слитки в виде стержней большого диаметра (до d - 100 мм) ис­пользуют для мерных загрузок в тигли при выращивании монокри­сталлического кремния по методу Чохральского. Слитки диамет­ром до d — 40 мм используют в качестве заготовок для бестигель­ной зонной плавки.

Полученный поликристаллический кремний содержит 1...5% примесей. Такой кремний не пригоден для использования в полу­проводниковом производстве, поэтому он подвергается дополни­тельной очистке.

В технологическом отношении кремний более сложный матери­ал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавле­ния 1414°С и в расплавленном состоянии химически активен (всту­пает в реакцию со всеми материалами, из которых изготавливают тигли). В связи с этим очистку кремния ведут зонной плавкой в ваку­уме без применения тиглей.

Безтигельная зонная плавка кремния

Обработка кремния похожа на обработку германия, но сопряжена с большими технологическими трудностями, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре размягчения кварцевого стекла; трубы из такого стекла применяют при операциях зонной плавки и очистки. Кроме того следует помнить, что кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку его ведут без графитовых лодочек, при вертикально расположенных образцах (рис.10). При зонной плавке нижняя часть образца не отрывается от верхней вследствие большого поверхностного натяжения жидкого кремния.

Рис.4.14. Схема бестигельной зонной плавки у кремния

1-держатель слитка, 2- слиток кремния, 3 – расплавленная зона, 4 передвигающийся виток контура высокочастотного генератора

Свойства кремния

Кристаллический кремний - темно-серое твердое и хрупкое ве­щество с металлическим блеском, химически довольно инертное. Как и германий, он кристаллизуются в сложную кубическую про­странственную решетку типа алмаза, в которой все атомы располо­жены на одинаковом расстоянии друг от друга. На внешней валентной оболочке атома крем­ния расположены четыре электрона.

Основной параметр полупроводниковых приборов - ширина запретной зоны при температуре 20°С W= 1,12 эВ. Это позволяет создавать кремниевые полупроводниковые приборы с относитель­но высокой рабочей температурой (до 125°С). Верхний темпера­турный предел работы кремниевых приборов достигает 200 °С.

Концентрация собственных носителей зарядов при комнатной температуре n_i = 310¹⁶ м^-3. Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью= 2,310³ Ом-м, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т < 6,7 К) и высоких давлениях (Р > 12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т. е. удельное элек­трическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.

При использовании монокристаллического кремния в полупро­водниковом производстве имеют место большие потери этого ма­териала. Это связано с тем, что большинство полупроводниковых приборов основано на процессах, происходящих в очень узких гра­ничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем монокристалла является паразитной частью и чаще всего ухудшает параметры прибора. Большая часть материала теряется при механической обработке слитков (резке на пластины, шлифов­ке, полировке и т.д.).

С целью уменьшения этих потерь в полупроводниковом произ­водстве применяют кремний в виде монокристаллических тонких слоев, которые осаждают на объемные монокристаллы, которые на­зывают подложками.

Такие монокристаллические слои, сохраняющие кристаллогра­фическую ориентацию подложки, называют эпитаксиалъными. В ка­честве подложек используют монокристаллы кремния, сапфира, ко­рунд и др.

В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные, донорные, акцепторные и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни.

К нейтральным примесям кремния относят водород, азот, инерт­ные газы, а также элементы IV группы Периодической системы хи­мических элементов Д.И.Менделеева (германий, олово, свинец).

Основными донорными примесями являются элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Мен­делеева (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут).

В качестве акцепторной примеси для кремния в основном используют элементы III группы Периодической системы химичес­ких элементов Д.И.Менделеева (бор, алюминий).

Элементы I,II,VI,VII гpyпп создают в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни и могут быть донорами и акцепторами. В качестве таких примесей чаще всего применяют золото и цинк. При легировании золотом в крем­нии образуются дополнительные центры рекомбинации носителей заряда, что уменьшает время жизни неравновесных носителей за­ряда.

Легирование кремния производят в процессе получения объем­ных монокристаллов и эпитаксиальных пленок.

Взаимодействие кремния с другими материалами зависит от температуры. Кристаллический кремний при низких температурах химически инертен, при комнатной температуре он химически ус­тойчив. При нагревании до температуры 200...700 °С он соединя­ется с галогенами, образуя галогениды кремния (SiQ₄, SiJ₄, SiBr₄, SiF и др.).

На воздухе при нагревании до температуры 900 °С кремний ус­тойчив, выше температуры 900 °С он интенсивно окисляется с об­разованием двуокиси кремния. При температуре 1100...1300°С кремний взаимодействует с азотом, образуя нитрид кремния Si₃N₄, и углеродом, образуя карбид кремния SiC.

ДИЭЛЕКТРИКИ

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровож­дается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие воз­никновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его по­верхности. Наличие сквозного тока объясняется явление электро­проводности технического диэлектрика, численно характеризуемой значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися об­ратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.

Любой диэлектрик может быть использован только при напря­жениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих пре­дельных значений наступает пробой диэлектрика — полная потеря им диэлектрических свойств.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлек­трика, называется пробивным напряжением, а соответствующее зна­чение напряженности внешнего однородного электрического поля — электрической прочностью диэлектрика.