» » Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния
22.09.2015

Физические свойства
Кремний — элемент IV группы, атомный номер его 14, атомная масса 28,06. Число атомов в одном кубическом сантиметре 5*10в22.
Кристаллизуется кремний, подобно германию, в кубической решетке типа алмаза с постоянной а = 5,4198А, в узлах элементарной ячейки которой находится 8 атомов кремния с координационным числом 4. Минимальное расстояние между соседними атомами и постоянная решетки у кремния меньше, чем у германия. Поэтому и тетраэдрическая ковалентная связь в кремнии более прочна, чем обусловлена большая ширина запрещенной зоны кремния и более высокая его температура плавления, чем германия.
Кремний — темно-серое вещество с синеватым отливом. Вследствие высокой твердости, которая по Moocy равна 7, он очень хрупок; при ударе рассыпается, поэтому с трудом поддается обработке не только в холодном, но и в горячем состоянии.
Температура плавления кремния чистотой 99,9% Si определена равной 1413—1420° С. Кремний более высокой степени чистоты имеет температуру плавления 1480—1500° С.
Температура кипения кремния лежит в пределах 2400—2630° С. Плотность кремния при 25° С составляет 2,32—2,49 г/см3. При плавлении плотность кремния увеличивается, что объясняется перестройкой структуры ближнего порядка в направлении повышения координационного числа. Поэтому при охлаждении он увеличивается в объеме, а при плавлении — уменьшается. Уменьшение объема кремния при плавлении составляет 9—10%.
Теплопроводность кристаллического кремния при комнатной температуре равна 0,2—0,26кал/сек*см*град. Теплоемкость в пределах 20—100° C составляет 0,181 кал/г*град. Зависимость теплоемкости твердого кремния от 298° К до температуры плавления описывается уравнением
Ср = 5,70+1,02*10в-3Т—1,06*10в-5Т-2 кал/град*моль.

В жидком состоянии до температуры кипения величина теплоемкости составляет 7,4 кал/град*моль. Теплоемкость кремния чистотой >99,99% при температурах от 1200° С до температуры плавления равна 6,53 кал/град*моль, а от температуры плавления до 1500° С 6,12 кал/град*моль. Теплота плавления чистого кремния составляет 12095± 100 кал/г*атом.
Изменение упругости пара твердого кремния от 1200° К до температуры плавления выражается уравнением
Ig р мм рт. ст. = -18000/Т - 1,022 IgT + 12,83,

а для жидкого кремния
Ig р мм рт. ст. = -17100/Т - 1,022 Ig T + 12,31.

Упругость пара кремния при температуре плавления составляет ~10в-2 мм рт. ст.
Поверхностное натяжение расплавленного кремния, измеренное методом сидячей капли на подложках из ZrO2, TiO2 и MgO в атмосфере гелия при 1450° С, равно 730 дин/см.
Электрические свойства
Кремний по своим электрическим свойствам относится к типичным полупроводникам. С повышением температуры удельное электросопротивление кремния резко снижается. При плавлении он имеет электропроводность, свойственную жидким металлам.
При 300°К удельное электросопротивление кремния (р) зависит от содержания в нем примесей.
Кремний чистотой 98,5% имеет р = 0,8 ом*см, 99,97% —12,6 ом*см, спектрально-чистый кремний 30 ом*см. Наиболее чистые образцы кремния имеют р = 16 000 ом*см.
Ниже приведены некоторые теоретически рассчитанные электрические характеристики кремния, обладающего собственной проводимостью (при 300°С):
Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния

Наименьшая концентрация электрически активных примесей, достигнутая в настоящее время в результате глубокой очистки кремния, составляет 10в13 см-3.
Подвижность носителей тока в кремнии при высоких температурах определяется рассеянием на колебаниях решетки, а при низких — на ионах примеси.
Изменение подвижности электронов и дырок в кремнии в зависимости от температуры определяется следующими уравнениями:
μn = 1,2*10в8*Т-2 см2/в*сек;
μр = 2,9*10в9*T-2,7 см2/в*сек.

Заметное снижение подвижности электронов в кремнии при комнатной температуре наступает при концентрации носителей тока, отвечающей величине р = 1,0 ом*см, а подвижность дырок — при р = 10 ом*см.
Время жизни носителей заряда изменяется в кремнии в широких пределах: в среднем т = 200 мксек.
Для полупроводниковой техники большое значение имеют сплавы кремния с другими элементами, главным образом III и V групп. Эти элементы вводят в глубоко-очищенный кремний в небольших количествах для придания ему определенных электрических свойств.
Работа полупроводниковых приборов — диодов, триодов, фотоэлементов, термоэлементов основана на свойствах электронно-дырочных переходов, которые получают легированием кремния теми или иными элементами. Для создания в кремнии n-проводимости его легируют фосфором, мышьяком или сурьмой, а для получения р-проводимости чаще всего легируют бором. К числу наиболее важных донорных элементов принадлежат фосфор и мышьяк.
Кремний хорошо растворяется во многих расплавленных металлах, например в алюминии, олове, свинце, цинке. Растворимость металлов в твердом кремнии, как правило, очень мала.
В настоящее время известно более тридцати диаграмм состояния кремния с другими элементами. Co многими элементами кремний образует химические соединения, в частности с фосфором, мышьяком, бором, литием, марганцем, железом, кобальтом, никелем, кальцием, магнием, серой, селеном и др. С другими же элементами, например с алюминием, бериллием, оловом, галлием, индием, сурьмой и др. образует системы эвтектического типа.
Химические свойства
Кремний устойчив против окисления на воздухе до 900° С, однако при этой температуре водяной пар окисляет кремний, а при более высокой температуре водяной пар полностью разлагается кремнием.
При 1000° C и выше кремний сильно окисляется кислородом воздуха с образованием кремниевого ангидрида или кремнезема SiO2. С водородом кремний реагирует только при температуре дуги, образуя кремнийводородные соединения.
В присутствии азота при 1300° С кремний образует нитрид Si3N4. Это — белый тугоплавкий порошок, возгоняющийся около 2000° С.
С галоидами кремний легко взаимодействует, например с фтором — при комнатной температуре, с хлором — при 200—300° С, с бромом — при 450—500° С, а с йодом — при более высоких температурах, 700—750° С.
С фосфором, мышьяком и сурьмой кремний не реагирует вплоть до температуры их кипения; с углеродом и бором он вступает в соединение лишь при очень высоких температурах (-2000°С).
Кремний характеризуется стойкостью ко всем кислотам любой концентрации, в том числе к серной, соляной, азотной и плавиковой. Растворяется кремний только в смеси плавиковой и азотной кислот (HF+HNO3). Meнее интенсивно кремний растворяется в азотной кислоте, содержащей добавки перекиси водорода и брома.
В противоположность кислотам щелочные растворы хорошо растворяют кремний; при этом выделяется кислород и образуются соли кремниевой кислоты, например
Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2.

В присутствии перекиси водорода растворение кремния в щелочах ускоряется.
Для травления кремния применяют щелочные и кислые травители. Щелочные травители действуют сильнее, поэтому их применяют для удаления поверхностных загрязнений, слоев с нарушенной структурой в результате механической обработки и для выявления макродефектов. С этой целью кремний травят в кипящем водном растворе KOH или NaOH.
Для выявления дислокаций на монокристаллах кремния применяют кислые травители, например СР-4 с добавкой азотнокислой ртути.
Кремний образует химические соединения с валентностями 2 и 4. Соединения двухвалентного кремния мало устойчивы. С кислородом кремний образует два соединения: SiO — моноокись и SiO2 — двуокись кремния.
Моноокись кремния SiO в природе не встречается, но она легко образуется при восстановлении SiO2 углеродом при 1500° С:
SiO2 + C → SiO + CO,

или же при взаимодействии кремния с кварцем при 1350° С:
Si + SiO2 ⇔ 2SiO.

При высокой температуре равновесие этой реакции смещается вправо, так как моноокись кремния получается в газообразном состоянии. При нагревании до 1700° С моноокись кремния полностью возгоняется, а при более высоких температурах диспропорционирует на Si и SiO2.
Моноокись кремния SiO — порошок темно-желтого цвета с плотностью 2,13; ток не проводит даже при высоких температурах, поэтому применяется как изоляционный материал.
Очень важным химическим соединением кремния является его двуокись (кварц). Это соединение очень устойчиво, образование его сопровождается большим выделением тепла:
Si + O2 = SiO2 + 203 ккал.

Кварц — бесцветное вещество с температурой плавления ~1713°С и температурой кипения 2590° С.
При охлаждении расплавленного кварца образуется прозрачное кварцевое стекло, которое служит одним из важнейших материалов для изготовления аппаратуры, применяемой в технологии производства кремния и других полупроводниковых материалов.
При нагревании SiO2 с углем при 2000—2200° С образуется карбид кремния SiC, обладающий полупроводниковыми свойствами.
Кремний образует довольно прочные соединения с галоидами, физико-химические свойства этих соединений приведены в табл. 57.
Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния

Галоидные соединения кремния SiF4, SiCl4, SiBr4 и SiI3 могут быть получены простым синтезом из элементов или при взаимодействии SiO2 с галоидом в присутствии углерода:
Si + 2Cl2 → SiCl4,
SiO2 + 2Cl2 + C → SiCl4 + CO2,
Si + 2I2 → SiI4,
SiO2 + 2Br2 + C → SiBr4 + CO2.

Галоидно-силановые соединения кремния образуются в реакциях гидрохлорирования или гидробромирования кремния:
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2,
Si + 3HBr → SiHBr3 + H2,

которые протекают при сравнительно низких температурах, около 300° С.
Тетрахлорид кремния SiCl4 представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, сильно дымящую на воздухе вследствие гидролиза и образования хлороводорода. Водой разлагается с образованием силикагеля:
SiCli + 4H2O → 4HCl + Si(OH)4.

Тетрайодид кремния SiI4 — бесцветное кристаллическое вещество. При нагревании на воздухе пары тетрайодида легко воспламеняются.
Трихлорсилан SiHCl3 — это горючая жидкость с очень высокой упругостью пара при комнатной температуре. Поэтому трихлорсилан обычно хранят в герметичных стальных емкостях, способных выдерживать высокое давление.
Кремний может замещать углерод в органических соединениях, образуя при этом кремнийводородные соединения — силаны. По своим свойствам силаны аналогичны углеводородам. Некоторые свойства силанов приведены в табл. 58.
Некоторые физико-химические свойства кремния и его соединений. Области применения чистого кремния

Соединения этого типа в лабораторных условиях могут быть получены, например, растворением силицида магния в крепкой соляной кислоте:
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.

Эта реакция протекает сложно. Наряду с моносила-ном могут образовываться различные полисиланы и выделяться водород.
Все силаны легко окисляются на воздухе. Реакционная способность их возрастает с увеличением молекулярной массы. Весьма опасно попадание в сосуды с силаном воздуха.
Моносилан SiH4 — это бесцветный газ, достаточно устойчивый при отсутствии воздуха и влаги. С воздухом моносилан образует взрывчатую смесь; может окисляться со вспышкой даже при -180° С.
Моносилан характеризуется большей термической стойкостью по сравнению с полисиланами. При нагревании выше 400° С моносилан разлагается на элементы, выделяя аморфный кремний:
SiH4 → Si + 2H2.

Эта реакция используется при получении кремния си-лановым методом. Силаны быстро и полно разлагаются водой с образованием SiO2:
SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2,
Si3H8 + 6H2O = 3SiO2 + 10H2.

Также быстро и до конца разлагаются силаны водными растворами щелочей:
SiH4 + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 4H2.

Устойчивость силанов резко увеличивается при введении в их молекулы галоидов, замещающих атомы водорода. В ряду замещенных силанов наибольший интерес представляет трихлорсилан SiHCl3, при восстановлении которого получают чистый кремний.
Применение кремния
Кремний как полупроводник известен раньше германия. Однако трудность получения кремния в чистейшем виде задерживала использование его в технике.
В последнее время разработаны и освоены эффективные методы очистки кремния до высокой степени чистоты, поэтому кремний находит все более широкое применение в полупроводниковых приборах. Так, из кремния изготавливают выпрямители тока (диоды), усилители радиоволн (триоды). В этом случае для мощных усилителей изготавливают кремниевые электроды с большими поверхностями, разделяющими электронную и дырочную части полупроводника.
Кремний служит хорошим материалом и для фотоэлектрических преобразователей. Поэтому для создания солнечных батарей применяют кремниевые фотоэлементы, предназначенные для непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую. Кремниевые фотопреобразователи лучше других подходят по своей спектральной чувствительности для использования солнечного света.
Кремний обладает рядом преимуществ перед германием: имеет большую величину запрещенной зоны, которая обеспечивает наибольшую выходную электрическую мощность; кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах (если рабочая температура германиевых приборов не превышает 60—80° С, то кремниевые диоды могут работать при 200° С).
Соединения кремния также находят применение в приборах. Например, карбид кремния применяется для изготовления туннельных диодов (нелинейные сопротивления) и др.