Работа 15. Свойства элементов, применяемых в полупроводниковой технике.

Цель работы - изучение свойств элементов III-V групп главных подг­рупп и некоторых их соединений.

В главных подгруппах III-V групп периодической системы элементов расположены Р - элементы, среди которых в свободном состоянии есть ме­таллы, полупроводники и неметаллы.

В периодах слева направо в атомах заполняется р - подуровень от р¹ до р⁵. С увеличением числа электронов на внешнем уровне атомов уменьшается восстановительная способность атомов и усиливается их окисли­тельная активность (увеличивается ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность.

В подгруппах сверху вниз у Р - элементов заметно усиливаются восс­тановительные свойства.

Оксиды и гидроксиды неметаллов проявляют кислотные свойства. Свойства оксидов и гидроксидов металлов связаны с валентным состояни­ем металла: с ростом валентности металла усиливаются кислотные свойс­тва.

Окислительно-восстановительные свойства соединений рассматривае­мых элементов также связаны с валентным состоянием элементов: чем вы­ше валентность элемента, тем более окислительными свойствами обладает его соединение.

Полупроводники бывают собственные и примесные. В качестве примес­ных чаще всего применяются элементы IV подгруппы - германий и кремний. В электронике часто применяют полупроводники, у которых часть атомов основного элемента в узлах кристаллической решетки замещена атомами другого элемента. Такие полупроводники называются примесными.

Например, для получения n - проводимости германий или кремний легируют элементами, находящимися в V группе периодической системы: фосфором, мышьяком, сурьмой; для получения p - проводимости германий или кремний легируют элементами III группы: бором, алюминием, галлием, ин­дием.

Рассмотрим свойства германия и кремния. Германий относится к числу рассеянных элементов, часто встречающихся в природе, но при­сутствующих в различных минералах в очень малых количествах.

Являясь элементом IV группы периодической системы Д. И. Менделеева, германий образует два ряда химических соединений с валентностью два и четыре, из которых наиболее распространены более устойчивые соединения четырехвалентного германия. На воздухе германий не окисляется и не разлагает воду. Соли германия - германиты слабо растворимы в воде, кроме и. Германий растворяется в царской водке, но не реагирует с соляной и разбавленной серной кислотами. Азотная и концентрированная серная кислота окисляют его в двуокись.

Галогениды германия в последнее время используются в микроэлектронике, например, при производстве транзисторов. Чаще других используется тетрахлорид германия , который можно получить либо нагреванием германия в токе газообразного хлора, либо путем дистилляции смеси двуокиси германия и соляной кислоты:

Кремний в природе встречается в виде оксида и в солях кремневых кислот.

Кремний образует два ряда химических соединений с валентностями два и четыре, относительно трудно окисляется на воздухе. С кислородом существует два соединения - и.

Кристаллический кремний практически не растворим во всех кислотах, в том числе и в HF, зато он легко реагирует даже с разбавленными щелочами.

Германий получается восстановлением из с помощью восстановителей: водорода, углерода, магния, цинка. Наиболее удобным является водород. Восстановление водородом происходит в две стадии. На первой стадии процесса образуется оксид(II)

Эта реакция протекает с максимальной скоростью при температуре 650°С. Затем под влиянием водорода происходит восстановление оксида германия (II) до германия

Для производства кремния широко используется метод Бекетова, который заключается в восстановлении четыреххлористого кремния ме­таллом-восстановителем по следующей реакции

Металлом-восстановителем могут быть все металлы, находящиеся слева от кремния в ряду напряжений, т.е. калий, кальций, магний, цинк и т.д.

Полупроводниковые соединения типа .

Полупроводниковые кристаллические соединения, называемые соединениями типа представляют собой химические соединения, образу­ющиеся при взаимодействии элементов IIIв иVв подгрупп периодической системы Д. И. Менделеева. В этих соединениях на каждый атом элемента III группы приходится один атом V группы, причем в кристаллической ре­шетке эти атомы чередуются между собой.

Как следует из периодической системы, у атомов элементов III группы имеется три валентных электрона в состоянии s²p¹, а у атомов элементов V группы по пять электронов в состоянии s²p³.

Таким образом, среднее число электронов, приходящихся на один атом в соединения типа , то же, что и в полупроводниковых эле­ментах IV группы, таких как алмаз, кремний, германий, серое олово. Поэ­тому кристаллическая структура и электронные свойства этих соединений во многом сходны со структурой и свойствами полупроводников IV группы.

Основными соединениями типа является антимонид индия (), арсенид индия (), фосфид индия (), антимонид галлия (), арсенид галлия (), фосфид галлия (), антимонид алюминия ().

Такие соединения отличаются от элементов IV группы тем, что в них подвижности электронов более высокие. Так, например, подвижность электронов в соединении почти на порядок (в 10 раз) превышает подвижность в германии, а в- более чем в 20 раз.Экспериментальная часть

ОПЫТ 1. Взаимодействие растворенной соли кремниевой кислоты с кислотой и кислотным оксидом.

В пробирку налейте 5мл концентрированного раствора силиката натрия или калия (растворимое стекло). Быстро прилейте в пробирку 3 мл 20% раствора соляной кислоты. Что получилось? Составьте уравнение реакции.

ОПЫТ 2. Гидролиз солей кремниевой кислоты (силикатов). В пробирку налейте 2-Змл силиката натрия или калия и добавьте в 1-2 капли раствора фенолфталеина. Объясните причину изменения окраски индикатора. Составьте молекулярное и ионное уравнения реакции гидролиза.

ОПЫТ З. Окислительные свойства соединений мышьяка (V).

В пробирку налейте 5-6 капель раствора арсената натрия и 5 капель концентрированной соляной кислоты. Добавьте 4-5 капель иодида калия. Наблюдайте появление желто-бурой окраски иода. Составьте уравнение реакции, имея в виду, что анион восстанавливается в:

ОПЫТ 4. Получение борной кислоты.

Из всех борных кислот, соли которых известны, устойчивой в растворах является только ортокислота . Поэтому при действии любой сильной кислоты на бораты всегда образуется. Например, если подействовать на тетраборат натрия (бура) соляной или серной кислотой, то пойдут реакции:

или

Налейте в пробирку 1/3 ее объема насыщенный раствор буры и добавьте осторожно небольшое количество (примерно 2мл) концентрированной серной кислоты. Пробирку с раствором осторожно охладите в проточной или в водяной бане с холодной водой. Через некоторое время вы сможете наблюдать образование кристаллов борной ортокислоты.

Растворите в пробирке при нагревании небольшое количество (несколько кристаллов) борной кислоты и испытайте, раствор синим лакмусом. Сильной или слабой кислотой является борная кислота?

Напишите в молекулярной и ионной форме уравнение диссоциации бор­ной кислоты по ступеням и выражение для константы диссоциации.

ОПЫТ 5. Гидролиз тетрабората натрия.

В две пробирки налейте 1-2мл дистиллированной воды и прибавьте в каждую по 4-5 капель розового раствора лакмуса. Растворите в одной из пробирок несколько кристаллов буры. Сравните окраску в обоих пробирках и составьте уравнение гидролиза буры по ступеням, учитывая, что на первой ступени гидролиза образуется ортоборная кислота и метаборат натрия , во второй ступени - ортоборная кислота и едкий натр.

ОПЫТ 6. Действие кислот и щелочей на алюминий.

Опыт проводить под тягой. Поместите в три пробирки немного алюминиевых стружек и добавьте в первую 30% раствор или КОН, во вто­рую - разбавленную соляную кислоту, в третью - концентрированную азот­ную кислоту(по 2-Змл в каждом случае). Пробирки с растворами ще­лочи и азотной кислоты нагрейте. В концентрированнойалюминий не растворяется.

Объясните механизм реакции алюминия со щелочами. Объясните различные отношения к соляной и азотной кислотам. Напишите уравнения реакции.

Контрольные вопросы.

1. Напишите электронные формулы германия и кремния в основном и возбужденном состояниях. Какую валентность проявляют эти элементы в возбужденном и невозбужденном состоянии?

2. Опишите свойства германия и кремния.

3. Какие реакции лежат в основе получения германия и кремния.

4. Напишите формулы кислот бора. Какая из них наиболее устойчива?

5. Какие кремниевые кислоты вам известны?

6. Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия с разбавленной и концентрированной азотной и серной кислотами.

7. Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия с раствором щелочи.

8. Какую реакцию имеют растворы солей алюминия? Составьте уравнение реакции гидролиза хлорида алюминия.

9. Какие соединения типа вы знаете?

10. Какими свойствами обладают соединения типа ?