Кремнезем кристаллическая решетка какая

Предыдущая статья была анонсом новой тематики на канале, которая будет направленна на изучение принципов работы полупроводниковый устройств. Но, чтобы на достойном уровне овладеть понятием механизма работы таких вещей, необходимо сначала овладеть хотя бы самым минимумом теоретической основы полупроводников.

Различные формы кристаллического кремния

Начну я пожалуй с самого основного в этой теории — с описания кристаллических структур полупроводников. Что же такое кристалл ?

По определению — это твердое тело с упорядоченной периодически повторяющейся структурой (кристаллической решеткой). Полупроводники относятся к монокристаллам , то есть к кристаллу в котором сохраняется ближний и дальний порядок.

Монокристалл кремния

Дальним порядком называется упорядоченное расположение дальних ячеек по всему кристаллу. Проще говоря: это когда один и тот же тип кристаллической структуры сохраняется практически во всем объеме твердого тела.

Структура с дальним порядком

Кристаллические решетки. 10 класс.

Ближний порядок — это упорядоченное расположение частиц в каждой элементарной ячейке. Иначе говоря — это когда кристаллическая структура сохраняется только в небольшом объеме твердого тела. Большинство кристаллов относится к поликристаллам, т.е. таким телам в которых сохраняется ближний порядок, но не сохраняется дальний.

Структура с ближним порядком

Почему в электронике используются именно монокристаллы? Причина их использования проста — это предсказуемость поведения, то есть для них разработана теоретическая база , которая хорошо описывает протекающие в них процессы. Но в некоторых случаях используют и поликристаллы, например в качестве затвора в МДП структурах, но об этом позже.

Основными полупроводниками, использующимися в электронной промышленности являются Кремний, Германий и Арсенид Галия .

Si, Ge, GaAs

Кристаллическая решетка кремния и германия представляет собой кристаллическую решетку типа » алмаз «. Это две кубические гранецентрированные решетки (в вершинах и в серединах граней куба находятся атомы вещества), смещенные относительно друг друга на четверть объемной диагонали.

а) гранецентрированная б) типа «алмаз»

Структура Арсенида-Галия представляет собой кристаллическую решетку типа » цинковой обманки «. Эта структура идентична предыдущей, то в узлах находятся разные атомы.

Не сложно догадаться, что все эти полупроводники будут отличаться друг от друга своими физическими свойствами. Основной показатель кристаллической решетки — это постоянная решетки (а). Расстояние между двумя соседними атомами. Так у Кремния это число равняется 0,543 нм , у Германия 0,566 нм и у Арсенида-Галия 0,565 нм . Казалось бы, что разница совсем небольшая, но на самом деле это не так. Разница в доли ангстрем (10^(-10) м) может значительно сказаться на таком показателе, как подвижность носителей а следовательно и на его сопротивлении, но об этом я расскажу в следующих статьях.

Кристаллические решетки | Химия ЦТ, ЕГЭ

Наиболее популярным материалом в настоящее время является Кремний , так как получить его значительно проще и приборы, построенные на его основе, обладают более выгодными температурными режимами работы.

Получают монокристаллический Кремний при помощи метода Чохральского . Заключается от в расплавлении чистого кремния, после в этот расплав опускают затравку (небольшой кусочек монокристаллического Кремния), которая служит центром кристаллизации, то есть эта структура начинает разрастаться. И во время этого образующуюся болванку вытягивают вверх получая таким образом цилиндро-образную заготовку.

Источник: dzen.ru

Кристаллические разновидности кремнезема.

К кристаллическим разновидностям кремнезема относятся кварц, тридим’ит, криетобалит и халцедон. В зависимости от тем­пературных условий эти разновидности, кроме халцедона, способ-ны к полиморфным превращениям и могут существовать в виде

нескольких кристаллических модификаций. Наиболее устойчивой из них при обычных температурах является минерал кварц, обра­зующий в природе оплошные или зернистые, бесцветные, полупро­зрачные или окрашенные в молочно-белый или в другие цвета и оттенки массы и отдельные включения в различные горные по­роды.

В чистом виде кристаллический кварц представляет собой правильные шестигранные призмы, закапчивающиеся шестигран­ными пирамидами. Бесцветная прозрачная, хорошо развитая кри­сталлическая разновидность кварца называется горным хруста­лем.

Горный хрусталь, окрашенный растворенными в нем приме­сями марганца в лиловый цвет, называется аметистом, окрашен­ный в буровато-темный цвет — дымчатым топазом, в черный цвет — морионом, а в золотисто-желтый или в лимонно-желтый — цитрином. Кроме прозрачных разновидностей кварца встречаются отдельные кристаллы его, окрашенные в тот или иной цвет различными включениями посторонних минералов.

К этой группе относится авантюрин — желтовато- или буровато-красный кварц с мерцающим отливом, обусловленным мельчайшими включениями слюд и железной слюдки (Fe2O3), а также празем — кварц с включениями зеленых иголочек минерала актинолита. При обычных температурах кварц существует в виде β-кварца.

С повышением температуры до 573° С β-кварц превращается в α-кварц, который свыше 870° С переходит в α-тридимит, а за­тем при 1470° С в α-кристобалит. Он плавится при 1728° С, образуя вязкую стекломассу, которая, остывая, превращается в квар­цевое стекло (аморфную разновидность кремнезема). Блеск кварца — стеклянный, оптические константы его Ng= 1,553 и Nm = = 1,544, спайность несовершенная, излом раковистый, твердость 7, пл. 2,65 г/см 3 . Кристаллический кварц и кварцевое стекло прозрачны для ультрафиолетовых лучей; при нагревании или охлаж­дении на поверхности кварца появляются электрические заряды, меняющие свой знак с изменением температуры (нагревания или охлаждения). Кварц обладает свойством пьезоэлектри-зации.

Особенно распространенную в природе микроволокнистую, скрытокристаллическую разновидность кварца представляет собой минерал халцедон, содержащий в своем составе в растворенном виде некоторое количество воды, удаляющейся при нагревании до 650—800° С. Халцедон окрашен в молочно-серый, синевато-черный, желтый, красный, оранжевый (сердолик), коричневый, бурый (сардер), яблочно-зеленый (хризопраз), зеленый с красными пят­нышками (гелиотроп) и в другие различные цвета. Плотность халцедона колеблется впределах от 2,55 до 2,61 г/см 3 , твердость 6—7.

Разновидности халцедона — агат, яшма и кремень. Агат и яшма состоят из окрашенных в различные цвета, подчас тончайших, плоско-параллельных или концентрически расположенных слоев халцедона. Это придает им своеобразно красивый вид. Кремень при прокаливании подобно халцедону, В-кварцу, претерпевая полиморфные превращения, в конечном итоге превращается в

Тридимит в природе встречается в виде шестиугольных пласти­нок, достигающих иногда 3—4 мм, среди кислых эффузивных гор­ных пород. Искусственным путем он получается в виде копьевид­ных двойников в кислых огнеупорах (динасе) и в ряде керамиче­ских масс, подвергающихся продолжительному прокаливанию при высоких температурах.

При остывании он претерпевает полиморф­ные превращения. Устойчивой модификацией тридимита при обыч­ных температурах вплоть до 117° С является γ-тридимит. Свыше этой температуры до 163° С тридимит существует в промежуточной модификации в виде β-тридимита.

При более высоких температу­рах вплоть до 1470° С устойчивюй модификацией считается α-тридимит, который при дальнейшем повышении температуры превра­щается в α-кристобалит. Кристобалит встречается довольно редко в естественном виде, чаще он получается в α-модификации при прокаливании кремнезема при высоких температурах. Устойчивой модификацией кристобалита при обычных температурах является β-кристобалит. При полиморфных превращениях кремнезема из одной модификации в другую изменяется объем его, но масса остается постоянной. В связи с этим кремнеземсодержащие изделия, изготовлен­ные из кварцевого сырья, в модификации β-кварца во время тер­мической обработки свыше 1000° С, превращаясь в α-тридимит, увеличиваются в объеме примерно на 16%, что вызывает соответ­твующие деформации и приводит к нарушению сплошности в виде трещин.

Кислородные соединения кремния состоят из атомов кремния и кислорода. Четыре атома, кислорода с одной ненасыщенной связью каждый присоединяются к одному атому кремния и обра­зуют прочно связанную группу атомов SiO 4- 4. В результате ненасыщенности SiO 4- 4 кремнекислородные соединения могут образовывать структуры из многократно повторяющихся групп атомов, состоящих из одного атома кремния и двух атомов кислорода, что соответствует формуле SiO2:

— О — Si ― О — Si―О — Si — O

О О О

— О — Si — О — Si — О ― Si — О —

Из схемы видно, что атомы кремния непосредственно между собой не связаны, а соединение их осуществляется только с помощью атомов кислорода по так называемой силоксановой связи:

— О —Si — О— Si— О —Si — О — Si — О —

Основная особенность такого, сочетания атомов кремния и кис­лорода заключается в том, что в основе этого сочетания лежит структурная группа, состоящая из одного атома кремния и четы­рех атомов кислорода, отстоящих от атома кремния на одинаковом расстоянии, равном 0,16нм. В то же время атомы кислорода друг от друга располагаются тоже на одинаковом расстоянии, равном 0,264 нм. Таким образом, вся группа SiO 4- 4 представляет собой

правильный тетраэдр, в центре которого находится атом кремния, а в каждой вершине по одному атому кислорода. Атом кремния с каждым из окружающих его атомов кислорода связан только одной полной ковалентной связью. Благодаря этому у каждого атома кислорода остается еще по одной полной свободной связи, за счет которых группа [SiO4] 4- может присоединять подобные группы атомов или отдельные атомы различных элементов или сама присоединяться к ним. Группу атомов SiO4 можно рассмат­ривать как четырехзарядный отрицательный ион [SiO4] 4- , каким он и является в виде основной структурной единицы в кремнекислородных соединениях (рис. 1).

Рис. 1. Условное обозначение иона [SiO4] 4-

Кремнекислородные тетраэдры, соединяясь друг с другом по всем направлениям через общие атомы кислорода, создают прост­ранственные решетки, которые обусловливают кристаллическое строение полиморфных разновидностей кремнезема.

Кроме перечисленных кристаллических разновидностей кремнезема в на­стоящее время известны еще коэсит, китит, стишовит и волокнистая модифи­кация, называемая кремнеземом W. Коэсит представляет.собой более плотную, чем кварц (пл. 2,93г/см 3 ), прозрачную, переходящую в кристобалит при 1700 0 С кристаллическую модификацию кремнезема. В плавиковой кислоте он нераство­рим.

Коэсит образуется при давлении 3,5 тыс. МПа*. Этим объясняется, что в природе он был обнаружен в больших метеоритных кратерах.

Китит образуется при давлении около 100 МПа и 380—580° С. При нагревании до 300° С он сокращается в объеме, свыше 300° С расширяется и при 1620° С переходит в кристобалит; в холодной плавиковой кислоте китит растворим..

Стишовит образуется при очень высоких давлениях порядка 10—18 тыс. МПа и температуре от 600 до 1400° С. Он обладает наибольшей плотностью, равной 4,3 г/см 3 (пл. β-кварца 2,6 г/см 3 ). Твердость стишовита колеблется от 8 до 8,5. Основу кристаллической структуры его составляют октаэдры SiO6. Стишовит в природе был впервые обнаружен вместе с коэснтом в аризонском метеоритном кратере США

Кремнезем W волокнистого строения, кристаллы его достигают до 9 мм. Получают его из смеси, состоящей из эквимолекулярных количеств SiO2 и Si. Смесь нагревают до 1400 9 С в атмосфере кислорода. Газообразные продукты реакции охлаждают в холодильнике. Процесс протекает в две стадий: сначала образуется оксид кремния в газообразном состоянии; который затем, конден-сируясь, окисляется и превращается в кремнезем:

Si02+-Si = 2SiO

Кристаллическая решетка кремнезема W состоит из деформированных тет­раэдров, связанных между собой двумя атомами кислорода в силоксановые цепи:

Некристаллические разновидности кремнезема.

К разновидностям аморфного кремнезема, не обладающего четко выраженной кристаллической структурой, относятся кварцевое стекло и порош­кообразный кремнезем. B природе кварцевое стекло встречается в виде минерала лешательерита в незначительном количестве. Обычно eго получают искусственным путем, расплавляя жильный кварц или чистые кварцевые пески в электропечах при темпера­туре свыше 1728°С (т. пл. α-кристобалита). При этом образуется густой вязкий расплав, содержащий большое количество мелких газовоздушных пузырьков. Чтобы сделать его подвижнее и уда­лить из него эти пузырьки, температуру расплава повышают свы­ше 2000° С. При охлаждении он превращается в прозрачное квар-цевое стекло.

Плотность кварцевого стекла 2,204 г/см 3 , после облучения его
потоком 2 . 10 20 нейтрон/см 2 она увеличивается до 2,26 г/см 3 . Кварцевое стекло обладает весьма малым коэффициентом термического расширения, который примерно в 60 раз меньше, чем у кристаллического кремнезема, поэтому оно обладает высокой термостойкостью вплоть до 1000°. Кварцевое стекло прозрачно не только для волн видимого спектра, но и для ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Оно является великолепным электроизоляци-­
онным материалом. Характерной особенностью кварцевого стекла
является высокая проницаемость его для многих газов даже при
невысоких температурах. Так, при разности давлений в 0,1 МПа
азот диффундирует через кварцевое стекло, начиная с 430° С, а во-
дород при 330° С. С повышением температуры скорость диффузии
возрастает. Вода и минеральные кислоты, за исключением плави-­
ковой и ортофосфорной, на кварцевое стекло не действуют. Пос­-
ледняя практически разлагает его при температурах выше 260° С
и тем интенсивнее, чем выше температура. Карбонаты щелочных
металлов и едкие щелочи хорошо разлагают кварцевое стекло
с образованием силикатов щелочных металлов. Процессы химиче­-
скою взаимодействия кварцевого стекла с соответствующими реа­-
гентами протекают, в таком виде:

Ценные свойства кварцевого стекла используются в приборо-и аппаратостроении, в лабораторной практике, в технике и в медицине. Из кварцевого стекла изготовляют химически стойкую лабораторную посуду, огнеупорные трубки, ртутно-кварцевые лам­пы, крутильные нити для измерительных приборов и многие другие весьма ценные изделия.

Порошкообразный тонкодисперсный аморфный кремнезем по­лучают путем обезвоживания гелей кремниевых кислот прокали­ванием при температурах порядка 1000° С. Порошкообразный кремнезем является тонкодисперсным материалом, обладает боль­шой поверхностью, поэтому широко используется как хороший адсорбент**(Адсорбентами называют вещества, способные поглощать своей поверх­ностью отдельные молекулы других веществ.) В отличие от кристаллического аморфный кремнезем химически активен.

Источник: cyberpedia.su

Кремнезем кристаллическая решетка какая

Ключевые слова конспекта: оксид кремния IV, диоксид кремния, кремнезём, силикаты, горный хрусталь, кварц, аметист, агат, яшма, сердолик.

Кремний, подобно углероду, образует оксид кремния (IV) SiO2 (диоксид кремния) и оксид кремния (II) SiO (монооксид кремния). Одним из наиболее распространённых соединений кремния является оксид кремния (IV).

Оксид кремния (IV) (диоксид кремния, кремнезём SiO2) – вещество немолекулярного строения, его кристаллическая решётка атомная. Каждый атом кремния образует четыре ковалентные связи в тетраэдрических направлениях с соседними атомами. Кристаллы SiO2 состоят из цепочек тетраэдров, связанных между собой через атомы кислорода.

Схематически строение (SiO2)n в плоскостном изображении можно представить так:

Кремний образует высший оксид с атомной кристаллической решёткой, в то время как высший оксид углерода – молекулярное вещество. Отсюда их разительное отличие в свойствах: оксид углерода (IV) – газ (при обычных условиях), оксид кремния (IV) – прозрачное, бесцветное, кристаллическое, нерастворимое в воде, тугоплавкое (t°пл. = 1728 °С) вещество.

В кристаллическом виде реакционная способность диоксида кремния низкая. В аморфном состоянии он более активен.

Диоксид кремния является кислотным оксидом. Важно отметить: он не реагирует с водой! Кремниевую кислоту нельзя получить непосредственной гидратацией диоксида кремния.

Мелко раздробленный диоксид кремния SiO2 реагирует с кипящими водными растворами и расплавами щелочей с образованием силикатов:

При нагревании диоксид кремния реагирует с карбонатами щелочных и щёлочноземельных металлов, вытесняя более летучий диоксид углерода СO2:

В SiO2 содержится кремний в высшей степени окисления, следовательно, SiO2 может выступать в роли окислителя. Окислительные свойства для диоксида кремния SiO2 не характерны, но возможны. Пример такой реакции – восстановление Si из SiO2 магнием:

На долю свободного диоксида кремния приходится приблизительно 12% от всей массы земной коры. Химически чистый оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца, а окрашенный примесями – в виде аметиста, агата, яшмы, сердолика и других минералов. Диоксид кремния встречается и в аморфном состоянии – инфузорная земля – пористая мелкозернистая масса, образованная из остатков мелких организмов. Из мелких зёрен кварца состоит обыкновенный песок. Его желтоватый или красноватый цвет говорит о наличии в нём соединений железа.

Конспект урока по химии «Диоксид кремния (кремнезём)». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии

Ещё конспекты по теме «Углерод и кремний«:

Источник: uchitel.pro