Кремний

image
Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.

Введение


Будучи студентом одного из московских вузов с специальностью «Наноматериалы», я хотел познакомить тебя, дорогой читатель, с самыми важными химическими элементами нашей планеты. Я долго выбирал с чего начать, углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно. Излагать мысли постараюсь предельно просто и доступно, написав этот материал я рассчитывал, в основном на новичков, но и более продвинутые люди смогут почерпнуть что-то интересное, так же хотелось бы сказать, что статья написана исключительно для расширения кругозора заинтересовавшихся. Итак, приступим.

Silicium


Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K
image
Порошковый Si

Историческая справка


Соединения Кремния, 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 стекла — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния — оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

image
Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка

Распространение Кремния в природе


По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Физические свойства Кремния


Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.

Химические свойства Кремния


Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).

Получение Кремния


Я думаю это самая интересная часть, тут остановимся поподробнее.
В зависимости от предназначения различают:
1. Кремний электронного качества (т. н. «электронный кремний») — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,999 % по весу, удельное электрическое сопротивление кремния электронного качества может находиться в интервале примерно от 0,001 до 150 Ом•см, но при этом величина сопротивления должна быть обеспечена исключительно заданной примесью т. е. попадание в кристалл других примесей, хотя бы и обеспечивающих заданное удельное электрическое сопротивление, как правило, недопустимо.
2. Кремний солнечного качества (т. н. «солнечный кремний») — кремний с содержанием кремния свыше 99,99 % по весу, используемый для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).
image
3. Технический кремний — блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 98 % кремния, основная примесь — углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов — бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния.

Кремний технической чистоты (95-98%) получают в электрической дуге восстановлением кремнезема SiO2 между графитовыми электродами. В связи с развитием полупроводниковой техники разработаны методы получения чистого и особо чистого кремния. Это требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния, из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Поликристаллический кремний («поликремний») — наиболее чистая форма промышленно производимого кремния — полуфабрикат, получаемый очисткой технического кремния хлоридными и фторидными методами и используемый для производства моно- и мультикристаллического кремния.
Традиционно поликристаллический кремний получают из технического кремния путём перевода его в летучие силаны (моносилан, хлорсиланы, фторсиланы) с последующими разделением образующихся силанов, ректификационной очисткой выбранного силана и восстановлением силана до металлического кремния.
Чистый полупроводниковый кремний получают в двух видах: поликристаллический (восстановлением SiCl4 или SiHCl3 цинком или водородом, термическим разложением SiI4 и SiH4) и монокристаллический (бестигельной зонной плавкой и «вытягиванием» монокристалла из расплавленного кремния — метод Чохральского).
image
Тут можно увидеть процесс выращивания кремния, методом Чохральского.

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Применение Кремния


Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

image
Сверхчистый кремний и продукт его производства

Кремний в организме


Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях — известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание — силикоз.

Заключение


Ну вот и все, если вы дочитали до конца и немного вникли, то вы на шаг ближе к успеху. Надеюсь писал я не зря и пост понравился хоть кому-то. Спасибо за внимание.

Комментарии 50

    +6
    А про углерод напишите статью?
      +7
      Обязательно, так же в скором времени будет статья, а точнее фото отчет с НЛМК (Новолипецкий металлургический комбинат).
        +2
        — углерод или кремний, и все таки решил остановиться именно на Si, потому что сердце любого современного гаджета основано именно на нем, если можно так выразиться конечно

        Сердце любого (даже не современного) человека основано на углероде. Вот мы и выяснили, что хабровчанам важнее. :)
        +4
        Зашел узнать с чем едят кремний :)
          +50
          Кстати флаг «Из песочницы» здесь ну очень уместен.
          –15
          Кремний — полупроводник, именно поэтому он находить большое применение.
            +13
            ЛС? Не, не слышал.
            +3
            Так, текст на линейке русский, стало быт ьи производство русское — тогда поясните, что за чипы на фото со сверхчистым кремнием?
              0
              гуглопоиск по картинке навел на эту статью 2008 года, в которой представлены 3 последних картинки из этого поста, впрочем, не особо конкретизируется что на них
              0
              Вот интересовало всегда, как из электронного кремния делают полупроводниковые элементы, например тот-же npn или pnp транзистор должен состоять из двух _разных_ полупроводников, а кремний — один?
                +5
                Введением донорских и акцепторных примесей
                  0
                  так это ведь монокристалл, как туда примешать что-то?
                    +4
                    Ионами бобардируют и все
                      +2
                      поверх кремния наносим фоторезист необходимый, экспонируем маску, «вымываем» окошки, куда надо имплантировать необходимые примеси и бомбардировка необходимой примесью.
                        0
                        мне казалось что структура кристалла трехмерная
                          +3
                          Структура то трехмерная, но технология все равно планарная, послойная
                        +1
                        перед тем как растить в шихту добавляют нужную примесь в нужном количестве. Беда в том, что изначально примесь распределяется не равномерно, поэтому потом приходится в цикл производства включать дополнительные стадии для выравнивания концентрации примеси в объёме монокристалла.

                        И по поводу бомбардировки — прокатит далеко не во всех случаях и с ней тож довольно много мароки.
                      0
                      точнее даже не разных полупроводников, ведь обычно используют МДП. откуда там металл? (оксид еще можно хим.путем получить)?
                        +1
                        а металл электролизом напыляют по-моему в нужных местах
                          0
                          а разве структура кристалла не трехмерная?
                            +1
                            ну так и не в один этап это делают, то травят то напыляют. Многоэтажная структура получается
                        +1
                        Чтобы не заниматься перепечаткой просто пошлю в википедию.

                        В свое время, во время учебы в интситуте в начале 90-х, бывал на экскурсиях на «Протоне» г.Орел. Сам техпроцесс производства от момента подготовки кремниевых пластин до автоматического тестирования готовых изделий впечатляет. Особенно портяс вид стола, на котором лежало с десяток катушек с золотой проволокой чистотой не меньше трех девяток.
                          +1
                          Нашел развлекательную презентацию, которая резюмирует сказанное в википедии. tmk05.ucoz.ru/_ld/0/1_eSx.pdf
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          0
                          Это буква К
                            +3
                            Очень необычная статья для Хабра, мне кажется, интересно было почитать :)
                            0
                            а сможете сказать, что обозначают срезы на пластинке кремния на последней фотографии?
                              0
                              обозначают одну из плоскостей симметрии кристалла
                                +2
                                Если речь идет про срезанный край у полной пластины, то это специально сделано. Во-первых, он указывает, чтто решетка кремния идет параллельно срезу. Во-вторых, т.к. производство полупроводниковых проборов многостадийное, то срез является меткой для правильно ориентации пластин для разных стадий производства.
                                  +1
                                  Не только. По вариациям среза/срезов можно определить ещё и тип проводимости.
                                    0
                                    Склероз, технологию изучал лет 20 назад. А после института по специальности так и не срослось поработать.
                                    Сейчас только толстопленочную технологию и осилю. А учитывая, что современная копмлектуха как нельзя лучше подходит для пленок, можно клепать микросхемы прямо на кухне.
                                0
                                <sarcasm>Таки не увидел, возможна кремниевая жизнь?</sarcasm>
                                  +1
                                  на 99,9(9)% нет
                                    0
                                    Обоснуйте.
                                      0
                                      кремний не координационно и валентно насыщенный
                                        0
                                        Эх, не хватает мне образования, чтобы сделать из этого предложения выводы =). Вы хотите сказать, что на кремнии невозможно собрать сложные соединения, аналогичные углеводородам? Или ещё какие-то проблемы есть?
                                          0
                                          Кстати, как-то в детстве в математическй энциклопедии от «Аванта+» в главе о компьютерах прочитал такую фразу: «Когда мы построим первый полностью автоматизированный завод по производству компьютеров, пора будет задуматься, не создали ли мы новую форму жизни, которая не только думает, но и размножается» =).
                                          В общем, буду рад рассказу или ссылкам на хорошее объяснение, заранее спасибо.
                                            0
                                            акей, как стану посвободнее мот напишу на эту тему.
                                            углерод пригоден для создания жизни, поскольку у него максимальные координационные и валентные числа. Если провести аналогию на программирование, то углерод, это ошибкоустойчивая программа, в то время как на стабильность работы программы кремния может повлиять даже результат матча московского спартака и киевского динамо ))

                                            а вообще можете начать с теории строения органических веществ нашего выдающегося соотечественника — Бутлерова Александра Михайловича
                                            0
                                            Говоря совсем простым языком — кремний не настолько «социальный» во взаимодействиях с другими элементами
                                              +1
                                              Скорее наоборот. Если углерод предпочитает постоянных партнёров и оргии по выходным, то кремний предпочитает оргии ежедневно. Это если совсем утрированно.
                                                0
                                                Дык, кремний странная асоциальная личность
                                    +2
                                    В среде химиков очень популярен мифический комплексный иодид скандия и кремния, имеющий формулу SiScI5.
                                      0
                                      А то же, но с двумя атомами йода, есть? Пять — это как-то многовато…
                                      +12
                                      Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации?

                                      ассоциации следующие:
                                      процессор -> песок -> кремний -> кремниевая долина -> силиконовая долина -> силикон -> сиськи
                                        0
                                        процессор -> профессор -> студентка -> сиськи.
                                        Кто короче сумеет? =)
                                          +1
                                          процессор -> сиськи
                                            0
                                            процессор -> интернет -> сиськи
                                          0
                                          Ждем научно-популярную статью статью про арсенид галлия и германий.
                                            0
                                            Ого! Даже и подумать не мог что среди IT-шников столько химиков. Мне, как программисту, этого не понять :(

                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                            Самое читаемое