Кристалл кремния какая связь

Если углерод – основной элемент органической жизни, то кремний имеет подобную роль в неживой природе.

В свободном виде кремний в природе не встречается.

Наиболее распространенным кремнийсодержащим веществом является диоксид кремния (кремне­зем) SiО2. В природе оно встречается в виде минерала кварца и многих его разновидностей (кварцевый песок, горный хрусталь, аметист, яшма, агат, опал и др.). Кремнезем — основной компонент любого песка.

Главная часть земной коры состоит из силикатных пород, представляющих собой соединения кремния с кислородом и рядом других элементов. Природные силикаты — довольно сложные вещества, их состав обычно изображается соединение нескольких оксидов. Соединения, в состав которых входит оксид кремния, называют алюмосиликатами: белая глина Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O, полевой шпат K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2, слюда K2O ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ H2O

Процесс выращивания кремния для фотомодулей (солнечных панелей) и общая технология создания ФЭМ

Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями, например, изумруд, аквамарин, топаз и др.

1. В промышленности для получения кремния используют чистый песок. В электрических печах при высокой температуре происходит восстановление кремния из его оксида углем (коксом)

SiO2 + 2С = Si + 2СО

2. В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgО

3. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом или цинком

Существует 2 аллотропные модификации кремния: аморфный кремний и кристаллический кремний.

Аморфный кремний – бурый порошок с температурой плавления 1420 0 С.

Кристаллический кремний получают перекристаллизацией аморфного кремния.

Кристаллический кремний – темно-cepые кристаллы с металлическим блеском, обладает тепло- и электропроводностью. Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза. Однако ковалентная связь между атомами кремния гораздо слабее, поэтому даже при обычных условиях ковалентные связи частично разрушаются, поэтому появляются свободные электроны, обуславливающие электропроводность кремния.

По химическим свойствам во многом схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя.

Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем кристаллический.

1. взаимодействие с неметаллами (восстановитель)

При обычных условия кремний достаточно инертен, непосредственно при комнатных условиях взаимодействует только с фтором.

При температуре 400-600 0 С кремний реагирует с хлором и бромом

В кислороде измельченный кремний сгорает

С азотом и углеродом реагирует только при очень высоких температурах

Si + C = SiC (карбид кремния, карборунд)

2. взаимодействие с металлами.

Кремний растворим во многих металлах.

При нагревании с некоторыми металлами (магий, кальций, медь, платина, висмут) кремний образует силициды, например силицид магния:

Кремний — САМЫЙ УМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ЗЕМЛЕ!

Некоторые силициды разлагаются кислотами, при этом выделяется газ силан SiH4 и образуется соль металла:

Силан SiН4 – ядовитый газ с неприятным запахом

Кремний не взаимодействует с цинком, алюминием, оловом, свинцом, серебром, золотом.

3. взаимодействие со щелочами и кислотами

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием солей кремниевой кислоты и водорода:

Кислоты, кроме HF и смеси азотной с фтороводородной кислотой, на кремний не действуют

Оксид кремния(IV) SiO2 (кремнезем, ангидрид кремниевой кислоты)

Твердое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде.

SiO2 — кислотный оксид.

Это инертное в химическом отношении вещество.

1. со щелочами реагирует только при сплавлении или кипячении с концентрированными растворами с образованием солей кремниевой кислоты — силикатов

2. может быть сплавлен с основными оксидами и карбонатами, например с содой:

3. фтороводорная кислота постепенно разлагает SiO2, Этим свойством пользуются при травлении стекла (нанесения рисунка на поверхность стекла)

Кремниевая кислота и её соли

Кремниевая кислота Н2SiO3 относится к слабым двухосновным кислотам (слабее угольной кислоты).

Несмотря на то, что формулы угольной кислоты и кремниевой кислоты похожи, структура этих веществ различна.

Н2SiO3 представляет собой полимер, в котором атомы кремния соединены собой друг с другом через кислород

В чистом виде кремниевые кислоты получить не удается.

При попытке выделить Н2SiO3 действием кислот на растворы силикатов кремниевая кислота образует коллоидный раствор (золь), который существует очень малый промежуток времени и далее коагулирует и при этом в виде геля осаждается гидратированный SiO2. При высыхании геля образуется силикагель — высокопористое вещество, являющееся эффективным адсорбентом.

Данная реакция является качественной на растворимые силикаты.

При обычных условиях или быстрее при нагревании кремниевая кислота разлагается на воду и оксид кремния (IV)

Соли кремниевой кислоты — силикаты — нерастворимы в воде (за исключением силикатов щелочных металлов).

Водные растворы Nа2SiО3 и К2SiО3 сильно гидролизованы. Их концентрированный раствор, называемый жидким стеклом, имеет сильнощелочную реакцию.

Жидкое стекло применяется для изготовления несгораемых тканей, пропитки деревянных изделий, в качестве клея и т.д.

Контрольные вопросы для закрепления:

1. Назовите возможные валентности и степени окисления углерода.

2. Какие реакции являются качественными на карбонат-ион и углекислый газ?

3. К каким по силе кислотам относится кремниевая кислота? Как называются соли кремниевой кислоты?

Рекомендуемая литература

Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е.Неорганическая химия. Ростов-на-Дону. Феникс. 2005. –352с. гл. 2.1 с. 262-281

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая школа, 2009.- 368с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. КноРус, 2009.-436 с.
3. Ерохин Ю.М. Химия. Учебник для студ. Сред проф.образ.-М.: Академия, 2006.- 384с.

1. Открытая химия: полный интерактивный курс химии для уч-ся школ, лицеев, гимназий, колледжей, студ. технич.вузов: версия 2.5-М.: Физикон, 2006. Электронный оптический диск CD-ROM
2. .1С: Репетитор – Химия, для абитуриентов, старшеклассников и учителей, ЗАО «1С», 1998-2005. Электронный оптический диск CD-ROM
3. Химия. Основы теоретической химии. [Электронный ресурс]. URL: http://chemistry.narod.ru/himiya/default.html
4. Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/

Источник: studfile.net

Магия полупроводникового кремния

Наша планета очень богата различными химическими соединениями. Одни материалы отлично проводят электрический ток, а другие — практически нет. Есть и третья, особенная группа материалов, называемая полупроводниками .

Полупроводники — материалы, которые практически не проводят ток в нормальном состоянии, но при различных манипуляциях над ними приобретают способность проводить ток.

Полупроводники удивительны тем, что умеют отвечать на проводимые над ними манипуляции: при освещении фотодиода/фототранзистора полупроводник генерирует ток, при подаче напряжения на выводы светодиода появляется свет, при подаче напряжения на полупроводниковый термоэлемент одна сторона его нагревается, а другая — остывает и т.д.

Светодиоды позволяют реализовать освещение любых формы и размеров, геометрия которого ограничена лишь Вашей фантазией!

Широко применяются полупроводниковые термоэлементы (элемент Пельтье), на основе которых делают различные интересные вещи: портативный автомобильный холодильник, кулер для воды и т.д.

Также полупроводниковые материалы играют важнейшую роль в развитии электроники.

Популярность полупроводников в электронике заключается в том, что они позволяют управлять пропусканием электрического тока.

Чтобы полупроводник имел возможность пропускать ток, его легируют (связывают) другим веществом. Легировав определённым образом полупроводники, можно получить различные полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы и т.д.

Самые распространённые полупроводниковые материалы, используемые в настоящее время — это германий и кремний .

В области электроники кремний одержал безоговорочную победу , навсегда вытеснив германий.

Такой разный кремний: кремний/кремéнь, silicone/silicon

Поговорим про чудесный кремний! Может возникнуть путаница в словах «кремний», «кремéнь», «silicone» и «silicon», поскольку они близки по написанию, но означают разное. Давайте разберёмся:

Кремний (Si) — элемент периодической системы Менделеева. Silicon — это тот же кремний по-английски .

Кремéнь — минерал, состоящий из кремнезёма SiO2. Кремéнь — это те самые камушки, которые при ударе друг об друга высекают искры.

Silicone — силиконовые полимеры, имеющие кремний в своём составе. Силиконовый (или санитарный) герметик, например.

Кремéнь, содержащий диоксид кремния

В этой статье нас интересует лишь кремний (тот, что silicon).

Кремний — второй по распространённости элемент на нашей планете, больше только кислорода. В чём же особенность кремния?

Дело в том, что кремний, как и металлы, на атомарном уровне состоит из кристаллической решётки: атомы кремния упорядочены друг относительно друга. Атомы связаны друг с другом ковалентной связью (возникающей за счёт общих пар электронов), в которой участвуют электроны с внешней электронной оболочки:

На рисунке показано 6 атомов кремния, для каждого атома своим цветом нарисовано по 4 электрона с внешней электронной оболочки. Электронные облака соседних атомов перекрывают друг друга, создавая ковалентную связь. В кристалле кремния очень много атомов и очень много ковалентных связей.

Вспомним химию: одни вещества стремятся поделиться электронами, а другие — забрать их. Но все вещества стремятся заполнить свой внешний (последний) электронный уровень.

На рисунке видно, что у атома кремния на последнем электронном уровне находится 4 электрона, и все они связаны с соседними атомами кремния ковалентными связями, поэтому внешний электронный уровень кремния заполнен за счёт парных электронов.

Всё, кремнию спокойно. Нет у него (как в металлах) свободных электронов, которые будут создавать электрический ток, равно как и не нуждается кремний в электронах.

Пока кремний спокоен, ток он не пропускает.

Но стоит потревожить кремний, и всё меняется.

Однако, по какой-либо причине ковалентная связь может быть нарушена. Например, когда мы нагреваем кристалл кремния, его атомы начинают двигаться быстрее и некоторые электроны стремятся покинуть кремний.

Когда электрон покидает ковалентную связь, в районе его места обитания остаётся вакантное место (называемое дырка ) — место, в которое может попасть один из электронов от соседнего атома.

Электрон покидает ковалентную связь, становясь свободным. Теперь он может свободно двигаться по кристаллу кремния, а под действием электрического поля его движение станет направленным.

Электрон убежал в одну сторону, оставив дырку в ковалентной связи. Эта дырка будет стремиться притянуть другой (соседний) электрон, и она это сделает!

Зелёный электрон перемещается влево. Оставшаяся от него дырка заполняется соседним электроном. Теперь дырка у соседнего атома. Дырка переместилась вправо

Таким образом получается, что отрицательно заряженные электроны кремния движутся в одну сторону, а дырки (положительно заряженные) — в другую. Так в кремнии возникает собственная электронно-дырочная проводимость!

Как уже было сказано, не только температурой можно заставить кремний двигаться. На кристалл полупроводника можно посветить ярким светом, и у того так же появится электронно-дырочная проводимость!

На этом эффекте основана работа солнечных панелей: свет освобождает в полупроводнике электроны, которые движутся и создают дырки (но об этом как-нибудь отдельно).

Солнечные панели генерируют электричество в ясную погоду, накапливая его в аккумуляторах.

Но кремний просто так не оставят в покое!

Учёные люди мучали кремний, улучшая его проводимость. В итоге смогли улучшить как электронную, так и дырочную проводимость внесением в кремний различных примесей.

Полупроводник «n»

Чтобы улучшить электронную проводимость кремния, в него нужно внести (легировать кремний) элемент, имеющий больше 4 электронов на внешнем уровне — тогда лишним электронам будет некуда деться и они окажутся свободными готовыми на всё .

Кремний можно легировать [ wiki ] фосфором, мышьяком или сурьмой — все эти элементы имеют по 5 электронов на внешнем уровне. В месте легирования появляется лишний свободный электрон, причём на миллион атомов кремния приходится 1 атом примеси [Кухлинг Хорст].

Заменив на картинке 1 из 6 атомов кремния на фосфор мы выиграли лишний электрон!

Легированный кремний называют полупроводником n-типа (negative), поскольку в нём избыток электронов.

Полупроводник «p»

Проводим всё то же легирование, но добавляем элемент, у которого не хватает одного электрона [ wiki ] — бор, алюминий или галлий. В месте легирования появляется лишняя дырка.

Легировав кремний атомом галлия, мы получили недостаток электронов (т.е. избыток дырок)

Легированный такими веществами кремний становится полупроводником p-типа (positive), поскольку имеет избыток дырок (или недостаток электронов)

Переход между легированным по-разному кремнием

Если разместить рядом с полупроводником n-типа полупроводник p-типа, получится p-n переход.

Этот p-n переход так понравился учёным, что теперь мы повсеместно пользуемся электронными устройствами, транзисторы которых по полной используют этот переход! В чём же секрет p-n перехода?

В зоне соединения двух кристаллов кремния (p- и n-типов) образуется тонкий пограничный слой, в котором дырки полупроводника p-типа принимают электроны полупроводника n-типа, уравновешивая друг друга. В итоге восстанавливается баланс и в пограничном слое возникает диэлектрик, не проводящий электричество. На границе полупроводников кристаллическая решётка не имеет свободных электронов и свободных дырок.

На границе соединения двух полупроводников (на p-n переходе) атом фосфора (P) отдал свой пятый электрон атому галлия (Ga), у которого как раз не хватало электрона, восстановив баланс сил

Свободные электроны полупроводника n-типа перешли на полупроводник p-типа, зарядив полупроводник n-типа положительным зарядом (и наоборот).

Таким образом, в полупроводнике c p-n переходом:

• на кристалле n-типа в районе p-n перехода не хватает электронов, заряд положительный;
• на кристалле p-типа в районе p-n перехода избыток электронов, заряд отрицательный.

Источник: dzen.ru

Кремний

Кре́мний ( греч. Kremnos — «утёс, гора») — химический элемент с атомным номером 14 ~14 в периодической системе, обозначается символом S i ~Si ( лат. Silicium ), металл.

В чистом виде был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром. В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом.

• 1 Нахождение в природе
• 2 Получение
• 3 Физические свойства

• 3.1 Электрофизические свойства

• 5.1 Ядерная энергетика
• 5.2 Медицина
• 5.3 Оптика
• 5.4 Биологическая роль

Нахождение в природе [ править | править код ]

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Получение [ править | править код ]

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H.

Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH4. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства [ править | править код ]

Кристаллическая структура кремния.

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению начиная с длинны волны 1.1 микрометр. Обладая самым высоким коэффициетом преломления (n = 3,4), прозрачностью, пропусканию инфракрасеых лучей он нашёл широкое применение в изготовлении оптических систем (объективов, биноклей ночного видения, в медицине — контактных линз и т.д.)

Схематическое изображение зонной структуры кремния [1]

Электрофизические свойства [ править | править код ]

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [2] . Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м -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.

Подвижность электронов 0,15 м²/в·с (или 1500 cм²/в·с ). [3]

Химические свойства [ править | править код ]

Схема атома кремния

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:

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 SiС (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.

Применение [ править | править код ]

Мини Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics За окошечком виден кристалл микросхемы — кремниевая подложка с выполненной на ней схемой.

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики. 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, стеклокерамику (ситаллы) и изделия из них.

Ядерная энергетика [ править | править код ]

Медицина [ править | править код ]

Оптика [ править | править код ]

Основная статья: Оптические элементы из кремния

Основная статья: Линза из кремния

Источник: traditio.wiki