Хотя кремний - второй по распространённости элемент на нашей планете, в школьных учебниках о нём - крохи. Да, именно его соединения - и песок на любимых пляжах, и стекло, и керамика, и всевозможные силиконы, и даже самый обычный силикатный клей. Но, самое интересное использование элементарного кремния - полупроводниковые устройства. Солнечные батареи и зеркала газовых лазеров, радиодетали электронных схем и полупроводниковые диоды и триоды, интегральные схемы для компьютеров и электронные приборы - всё это ОН - монокристаллический кремний.
Самый красивый способ его получения был придуман польским химиком Яном Чохральским ещё в 1916 году. Суть его такова: кремний сначала расплавляют в специальном тигле, а потом в жидкость погружают очень маленький монокристалл кремния, подвешенный на тонкой нити. По мере остывания расплава, кремний кристаллизуется на затравке и структура его получается такой же, монокристаллической. Конечно, это целый технологический процесс с аргоновой защитной атмосферой, вращением затравки и тигля, температурным режимом и другими технологическими параметрами. Результат - очень чистый монокристалл кремния заданного размера и по приемлемой стоимости. После того, как кристалл готов, его разрезают на пластины алмазным инструментом. Эти пластины - и есть основания для электронных приборов.
На поверхности пластины создают нужную схему прибора. По сути, это рисунок, который сначала получают методом фотолитографии: на поверхность наносится тонкая фоточувствительная плёнка. Затем эта плёнка засвечивается через шаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на плёнке рисунок выцарапывают протравливают, а потом оставшуюся плёнку удаляют.
Травление кремния - это тонкая, красивая технология, которая изначально была основана на знакомых нам процессах:
3Si + 12HF+ 4HNO3 → 3SiF4 + 4NO + 8H2O
или
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2
В обоих случаях проявляются уникальные свойства кремния, ведь больше никто из неметаллов не способен на похожие процессы, верно?
Правда, в наше время чаще применяют плазменное травление.
Но, главная уникальность кремния - в другом. И именно из-за этого свойства вся электронная промышленность попала в зависимость от единственного химического элемента, да так, что никаких альтернатив долго не изучали и не предлагали. А те, что предлагаются сейчас, не могут сравниться с кремнием по разным причинам. Один из ключевых параметров полупроводника — ширина запрещенной энергетической зоны. Этот параметр определяет электропроводность материала и, по сути, равен минимальной энергии, которую необходимо затратить для перехода электрона в зону проводимости. Для полупроводников эта величина обычно составляет от нескольких сотых до нескольких электронвольт, а для диэлектриков — свыше 6 эВ. Слишком большая ширина запрещенной зоны означает, что для включения транзистора (транзистор - основа схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем) потребуется слишком много энергии, слишком маленькая зона тоже нехороша — легкий переход электронов в проводящее состояние приведет к тому, что транзистор будет «течь» и не сможет обеспечивать стабильный ток. Несомненно, сильная сторона кремния — его умеренность, для него ширина запрещенной энергетической зоны ни мала, ни велика — 1,1 эВ. Это и делает кремний идеальным полупроводником.
Вот так делают процессоры на основе кремниевых пластин: Очень понятное и качественное видео.
А вот так наносят рисунок на кремниевые пластины: Подробно и понятно.
А это, собственно, процесс плазменного травления со всеми тонкостями: Смотрите внимательно.
Ну, и сам кремний. (Это если возвращаться в рамки ЕГЭ)
Интересно?
