Монокристалы кремния и германия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное  государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Сибирский государственный аэрокосмический  университет

им. академика М.Ф. Решетнева

(СибГАУ)

Факультет машиноведения и мехатроники

Кафедра Технология машиностроения

Специальность 151001 – технология машиностроления

РГЗ

по дисциплине: "Технология и обработка резанием

анезатропных материалов"

на тему: "Монокристалы кремния и германия"

Выполнил: ст-т гр. Т-71

Меркушева М.Е.

«____»__________2012 г.

Проверил:

Амосов Н.И.

«____»__________2012 г.

Красноярск 2012

Оглавление

Введение..............................................................................................3

1. Природа и характеристики материала...........................................4

2. Технология получения.....................................................................5

3. Свойства и анезотропия свойств....................................................6

4. Материал как конструкционный......................................................8

5. Обработка резанием......................................................................11

Заключение........................................................................................12

Библиографический список..............................................................13

Введение

Германий - родной брат кремния.

В 1871 году Д.И. Менделеев предсказал существование неизвестного науке элемента - аналога кремния. Этот минерал был выделен через 15 лет и назван германием. Поражает сходство германия и кремния.

Распределение германия в природе также сходно с распределением кремния: он содержится в песчаных, суглинистых, глинистых, лесных почвах. Оба элемента хорошо усваиваются морскими организмами, обитающими в верхних слоях вод морей и океанов.

Японский профессор К. Асаи выделил органический германий. Он говорит, что это - лекарственное вешество, «способное снижать содержание вредных веществ в организме, вызывающих болезни» (1980 год). По мнению К. Асаи, предполагаемый механизм биологического действия германия основан на его способности захватывать электроны. Возможно, что германий лишает раковые клетки «лишних» электронов и приводит к потере их активности.

Германий необходим щитовидной железе и клапанам сердечно-сосудистой системы.

Опыты на животных показали, что германий укрепляет иммунную систему и является средством профилактики рака.

Весьма обнадеживающие опыты по выявлению подавляющего воздействия германия на размножение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) (Бергнер).

Германий содержится во многих пищевых и лекарственных растениях: зеленом чайном листе, алоэ, водорослях, окопнике, чесноке, черемше, лишайниках, некоторых трубчатых грибах.

Предполагается, хотя данных пока еще мало, что между кремнием и германием существует взаимодействие, а те растения, которые для роста нуждаются в кремнии, более чувствительны к германию. Известно, что из-за недостатка германия тормозятся прорастание семян и развитие растений.

В Корее, Китае и ряде других стран население употребляет в пищу большое количество чеснока, морских водорослей, и раковые заболевания встречаются там гораздо реже, чем в других странах.

1. Природа и характеристики материала

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

Общее содержание германия в земной коре 7·10−4% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Германий вследствие незначительного содержания в земной коре и геохимического сродства с некоторыми широко распространёнными элементами обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, рассеиваясь в решётках других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2(Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4 (6 — 10 % Ge), аргиродит Ag8GeS6 (3,6 — 7 % Ge), конфильдит Ag8(Sn, Ge) S6 (до 2 % Ge) и др. Основная масса германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов. Так, например, в некоторых сфалеритах содержание германия достигает килограммов на тонну, в энаргитах до 5 кг/т, в пираргирите до 10 кг/т, в сульваните и франкеите 1 кг/т, в других сульфидах и силикатах — сотни и десятки г/т. Германий концентрируется в месторождениях многих металлов — в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти. Концентрация германия в морской воде 6·10−5 мг/л.

2. Технология получения

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний.

Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO2, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:

GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.

Очистка и выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки.

3. Свойства и анезотропия свойств

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр — пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вершинах. А каждый атом, расположенный в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки изображенной на рисунке. Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуются валентными электронами (на рисунке — маленькие шарики) при сближении атомов. Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Ge и Si, при очень низкой температуре.

Электрофизические свойства

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·1016м−3. На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Диэлектрическая проницаемость: 12

Подвижность электронов: 1300-1400 см²/(в*c).

Подвижность дырок: 500 см²/(в*c).

Ширина запрещенной зоны 1,205-2,84*10(^-4)*T

Продолжительность жизни электрона: 50 — 500 мксек

Длина свободного пробега электрона: 0,1 см

Длина свободного пробега дырки: 0,02 — 0,06 см

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal4.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4↑.

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me3Si2, Me2Si3, Me5Si3 и MeSi2. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

Составы сплавов и их параметры приведены в табл.1. (Приложение 1).

4. Материал как конструкционный

Приборы на основе сплавов SiGeи их преимущества.

На основе сплавов Si1-xGex уже разработано и применяется множество различных приборов, как относительно простых по конструкции и изготовлению, так и использующих самые последние достижения современных технологий. Это простые и каскадные фотоэлементы (гетероструктуры с варизонными слоями GexSi1-x), фотоприёмники для волоконно-оптических линий связи, регистрирующих сигналы с длиной волны  и  [3], приборы с повышенной радиационной стабильностью [2], ядерные детекторы со скоростью счёта в несколько раз выше, чем кремниевые [4], гетеро-биполярные транзисторы, гетеро-CMOS элементы [1] и т.д.

Приборы, основанные на кремний-германиевых сплавах, обещают революцию в области сетевых, вычислительных, космических технологий.

Гетеро-биполярные транзисторы способны работать на частотах до 200 ГГц, имеют низкий уровень шумов и при этом довольно технологичны в изготовлении. Фирмы IBM, Daimler-Benz Research Laboratories, Ulm уже продемонстрировали

полевые транзисторы, работающие на частотах до 85 ГГц. Их рабочие частоты могут превысить 200 ГГц (при длине канала менее 100 нанометров).

Сам собой напрашивается вывод, что в недалёком будущем SiGe может вытеснить как AIIIBV, так и высокоплотные кремниевые технологии и частично занять нишу силовой среднечастотной кремниевой электроники.

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.

(см. Приложение 2)

Монокристаллический кремний — материал для зеркал газовых лазеров.

Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях.

Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.