Федеральне Агентство з освіти
Державне Освітнє Установа
Середнього Професійної Освіти
Володимирський Авіамеханіческій Коледж
РЕФЕРАТ
На тему: "Зонна плавка германію та кремнію"
З дисципліни: "Матеріалознавство"
Виконав студент
Групи Е-107
Черкун С.
Перевірив
Мітіна Л.О.
2008 р. Володимир
Для отримання монокристала за методом витягування з розплаву ретельно очищений від домішок германій розплавляють в установці, схема якої показана на рис.1. Робочим об'ємом служить герметична водоохлаждаемая камера, усередині якої створюється вакуум порядку 10 -4 Па, або захисна газове середовище (з водню або аргону високої чистоти). Матеріал (М) поміщається в тигель (А), насаджений на кінець водоохолоджуваному штока (Б-1). Шток Б-1 за допомогою електроприводу приводиться в обертання зі строго постійною швидкістю. Крім того, його можна опускати або піднімати для підбору оптимального положення тигля з розплавом по відношенню до нагрівального елементу В. Як нагрівальний елемент використовують зазвичай піч опору або джерело індукційного високочастотного нагріву. Через верхній фланець камери співвісно з нижнім штоком Б-1 вводиться верхній шток Б-2, на нижньому кінці якого кріпиться монокристалічних затравка кристаллизуемой матеріалу. Запал вводиться в розплав і витримується в ньому, поки не відбудеться оплавлення поверхні. Коли це відбудеться, приманку, обертаючи, починають повільно піднімати. За затравкою тягнеться рідкий стовпчик розплаву, утримуваний поверхневим натягом. Потрапляючи в область низьких температур над поверхнею тигля, розплав твердне, утворюючи одне ціле з запалом. Цим способом в даний час отримують монокристали германію діаметром до 100 мм, а іноді і більше.
Чистий германій володіє металевим блиском, характеризується відносно високою твердістю і крихкістю. Він кристалізується в структурі алмазу, плавиться при температурі 937 o С, щільність при 25 ° С дорівнює 5.33 г / см 3. У твердому стані германій типовий ковалентний кристал. Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Подрібнений в порошок германій при нагріванні на повітрі до температури "700 ° С легко утворює діоксид германію GeO2. Германій слабко розчинний у воді і практично не розчиняється в соляній і розведеної сірчаної кислоти. Активними розчинниками германію в нормальних умовах є суміш азотної і плавикової кислот і розчин перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими сполуками.
Германій, застосовуваний у напівпровідникових приладах, володіє питомим опором від мільйонних часток Ом-м до значень, близьких до питомої опору власного германію. На електричні властивості германію робить сильний вплив термообробка. Так, якщо зразок n-типу нагріти до температури вище 550 ° С, а потім різко охолодити (загартувати), то зміниться тип електропровідності. Аналогічна термообробка германію p - типу призводить до зниження питомого опору, без зміни типу електропровідності. Відпал загартованих зразків при температурі 500-550 ° С відновлює не тільки тип електропровідності, але і первинне питомий опір. Якщо германій розплавити, то його питомий опір стає близьким до питомої опору рідких металів, наприклад ртуті QUOTE
6,5 Ч10 -7 Ом-м). Приклад маркування германію - ГДГ 075/05, де перша буква означає назва матеріалу (Г - германій), друга - тип електропровідності (Е - електронний, Д - дірковий), третя-назва легуючої домішки (в даному випадку галію). Чисельник дробу вказує значення питомого опору (0,75 Ом-см), знаменник - дифузійну довжину неосновних носіїв заряду (0.5 мм).
Германій застосовується для виготовлення діодів різних типів, транзисторів, датчиків ЕРС Холла, тензодатчиків. Оптичні властивості германію дозволяють його використовувати для виготовлення фотодіодів і фототранзисторів, модуляторів світла, оптичних фільтрів, а також лічильників ядерних частинок. Робочий діапазон температур германієвих приладів від - 60 до 4-70 ° С.
Технічний кремній, одержуваний відновленням природного діоксиду SiO 2 (кремнезем) в електричній дузі між графітовими електродами, широко застосовується в чорній металургії як легуючий елемент (наприклад, трансформаторна сталь) і як розкислювач при виробництві сталі.
Технічний кремній являє собою дрібнокристалічний спек, що містить близько 1% домішок, і як напівпровідник використаний бути не може. Він є вихідною сировиною для виробництва кремнію напівпровідникової чистоти, вміст домішок у якому повинно бути менше 10 -6%.
Технологія отримання кремнію напівпровідникової чистоти включає в себе наступні операції:
1) перетворення технічного кремнію в Легколетюча з'єднання, яке після очищення може бути легко відновлено;
2) очищення з'єднання фізичними і хімічними методами;
3) відновлення з'єднання з виділенням чистого кремнію;
4) кінцева очищення кремнію методом бестігельной зонної плавки;
5) вирощування монокристалів.
У напівпровідниковому виробництві найбільшого поширення набув метод водневого відновлення трихлорсилану SiHCl 3. Його отримують обробкою подрібненого технічного кремнію сухим хлористим воднем при температурі 300 - 400 ° С:
Si + ЗНСl QUOTE
SiHCl 3 + H 2.
Трихлорсилану являє собою рідину з температурою кипіння 32 ° С. Тому він легко очищається методами екстракції, адсорбції та ректифікації.
На відміну від германію основна очищення кремнію від домішок здійснюється хімічними методами. Кристалізаційні методи мають мета - перетворити напівкристалічних кремній, отриманий хімічним шляхом, в монокристали з певними електрофізичними властивостями. Об'ємні кристали кремнію вирощують методами вирощування з розплаву і бестігельной вертикальної зонної плавки. Перший метод застосовується, як правило, для отримання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опором (<2,5 Ом-м). Другий метод використовується для отримання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Слід зауважити, що в технологічному відношенні кремній - більш складний матеріал, ніж германій, так як він має високу температуру плавлення 1412 ° С і в розплавленому стані хімічно дуже активний (вступає в реакцію практично з усіма тигельними матеріалами).
Метод витягування з розплаву був раніше описаний. Істотним недоліком цього методу при використанні його для вирощування монокристалів кремнію є забруднення кристалів киснем. Джерелом кисню служить кварцовий тигель, який взаємодіє з розплавом відповідно до реакції
SiO 2 (TB) + Si (ж) → 2SiO.
Розчинення кварцу в кремній не тільки призводить до насичення киснем, але при цьому вводяться і інші домішки, що забруднюють кремній.
Вертикальна бестігельной зонна плавка забезпечує очищення кристалів кремнію від домішок і можливість вирощування монокристалів кремнію з малим вмістом кисню. У цьому методі вузька розплавлена зона утримується між твердими частинами злитку за рахунок сил поверхневого натягу. Розплавлювання злитків здійснюється за допомогою високочастотного індуктора (рис.2), що працює на частоті 5 МГц. Високочастотний нагрів дозволяє проводити процес бестігельной зонної плавки у вакуумі та в атмосфері захисного середовища.
Методом вертикальної бестігельной плавки в даний час отримують кристали кремнію діаметром до 100 мм. Кристали кремнію n - і p - типів отримують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найбільш часто використовуються фосфор і бор. Такі кристали електронного й діркового кремнію маркуються відповідно КЕФ і КДБ.
Кристалічний кремній при кімнатних температурах має невисоку реакційною здатністю; він досить стійкий на повітрі, покриваючись тонкою плівкою діоксиду кремнію. Кремній розчиняється у воді, не реагує з багатьма кислотами. Добре розчиняється лише в суміші азотної і плавикової кислот і в киплячій лугу.
Плавлення кремнію супроводжується деяким збільшенням його щільності (приблизно на 8%) і стрибкоподібним зменшенням питомого опору (приблизно в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10 -4 Ом-м і веде себе подібно рідким металів.
В даний час кремній є базовим матеріалом напівпровідникової електроніки. Він використовується як для створення інтегральних мікросхем, так і для виготовлення дискретних напівпровідникових приладів. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми, що відрізняються малими розмірами і складною конфігурацією активних областей, знайшли особливо широке застосування в обчислювальній техніці та радіоелектроніки.
З кремнію виготовляються різні типи напівпровідникових діодів: низькочастотні (високочастотні), малопотужні (потужні), польові транзистори; стабілітрони; тиристори. Широке застосування в техніці знайшли кремнієві фотопреобразовательние прилади: фотодіоди, фототранзистори, фотоелементи сонячних батарей. Подібно германію, кремній використовується для виготовлення датчиків Холу, тензодатчиків, детекторів ядерних випромінювань.
1 - монокристал; 2 - розплавлена зона, 3 - індуктор; 4 - напівкристалічних стрижень
Завдяки тому що ширина забороненої зони кремнію більше, ніж ширина забороненої зони германію, кремнієві прилади можуть працювати при більш високих температурах, ніж германієві. Верхній температурний межа роботи кремнієвих приладів досягає 180-200 ° С.
Державне Освітнє Установа
Середнього Професійної Освіти
Володимирський Авіамеханіческій Коледж
РЕФЕРАТ
На тему: "Зонна плавка германію та кремнію"
З дисципліни: "Матеріалознавство"
Виконав студент
Групи Е-107
Черкун С.
Перевірив
Мітіна Л.О.
2008 р. Володимир
Германій
Суть методу зонної плавки полягає в тому, що вузька розплавлена зона переміщається уздовж горизонтально розташованого зразка, що знаходиться в графітової або кварцовою човнику. Домішки, наявні у зразку, відтісняються до кінця злитка. Для високоякісної очистки весь процес повторюють багато разів або використовують установки більш досконалої конструкції, що дозволяють створювати вздовж злитку одночасно чотири або п'ять розплавлених зон.Для отримання монокристала за методом витягування з розплаву ретельно очищений від домішок германій розплавляють в установці, схема якої показана на рис.1. Робочим об'ємом служить герметична водоохлаждаемая камера, усередині якої створюється вакуум порядку 10 -4 Па, або захисна газове середовище (з водню або аргону високої чистоти). Матеріал (М) поміщається в тигель (А), насаджений на кінець водоохолоджуваному штока (Б-1). Шток Б-1 за допомогою електроприводу приводиться в обертання зі строго постійною швидкістю. Крім того, його можна опускати або піднімати для підбору оптимального положення тигля з розплавом по відношенню до нагрівального елементу В. Як нагрівальний елемент використовують зазвичай піч опору або джерело індукційного високочастотного нагріву. Через верхній фланець камери співвісно з нижнім штоком Б-1 вводиться верхній шток Б-2, на нижньому кінці якого кріпиться монокристалічних затравка кристаллизуемой матеріалу. Запал вводиться в розплав і витримується в ньому, поки не відбудеться оплавлення поверхні. Коли це відбудеться, приманку, обертаючи, починають повільно піднімати. За затравкою тягнеться рідкий стовпчик розплаву, утримуваний поверхневим натягом. Потрапляючи в область низьких температур над поверхнею тигля, розплав твердне, утворюючи одне ціле з запалом. Цим способом в даний час отримують монокристали германію діаметром до 100 мм, а іноді і більше.
Чистий германій володіє металевим блиском, характеризується відносно високою твердістю і крихкістю. Він кристалізується в структурі алмазу, плавиться при температурі 937 o С, щільність при 25 ° С дорівнює 5.33 г / см 3. У твердому стані германій типовий ковалентний кристал. Кристалічний германій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Подрібнений в порошок германій при нагріванні на повітрі до температури "700 ° С легко утворює діоксид германію GeO2. Германій слабко розчинний у воді і практично не розчиняється в соляній і розведеної сірчаної кислоти. Активними розчинниками германію в нормальних умовах є суміш азотної і плавикової кислот і розчин перекису водню. При нагріванні германій інтенсивно взаємодіє з галогенами, сіркою і сірчанокислими сполуками.
Германій, застосовуваний у напівпровідникових приладах, володіє питомим опором від мільйонних часток Ом-м до значень, близьких до питомої опору власного германію. На електричні властивості германію робить сильний вплив термообробка. Так, якщо зразок n-типу нагріти до температури вище 550 ° С, а потім різко охолодити (загартувати), то зміниться тип електропровідності. Аналогічна термообробка германію p - типу призводить до зниження питомого опору, без зміни типу електропровідності. Відпал загартованих зразків при температурі 500-550 ° С відновлює не тільки тип електропровідності, але і первинне питомий опір. Якщо германій розплавити, то його питомий опір стає близьким до питомої опору рідких металів, наприклад ртуті QUOTE
Германій застосовується для виготовлення діодів різних типів, транзисторів, датчиків ЕРС Холла, тензодатчиків. Оптичні властивості германію дозволяють його використовувати для виготовлення фотодіодів і фототранзисторів, модуляторів світла, оптичних фільтрів, а також лічильників ядерних частинок. Робочий діапазон температур германієвих приладів від - 60 до 4-70 ° С.
Кремній
На противагу германію кремній є одним з найпоширеніших елементів в земній корі; його вміст у ній близько 29%. Однак у вільному стані в природі він не зустрічається, а є тільки у з'єднаннях у вигляді оксиду й у солях кремнієвих кислот. Чистота природного окису кремнію у вигляді монокристалів кварцу іноді досягає 99,9%, в ряді родовищ чистота піску досягає 99,8-99,9%.Технічний кремній, одержуваний відновленням природного діоксиду SiO 2 (кремнезем) в електричній дузі між графітовими електродами, широко застосовується в чорній металургії як легуючий елемент (наприклад, трансформаторна сталь) і як розкислювач при виробництві сталі.
Технічний кремній являє собою дрібнокристалічний спек, що містить близько 1% домішок, і як напівпровідник використаний бути не може. Він є вихідною сировиною для виробництва кремнію напівпровідникової чистоти, вміст домішок у якому повинно бути менше 10 -6%.
Технологія отримання кремнію напівпровідникової чистоти включає в себе наступні операції:
1) перетворення технічного кремнію в Легколетюча з'єднання, яке після очищення може бути легко відновлено;
2) очищення з'єднання фізичними і хімічними методами;
3) відновлення з'єднання з виділенням чистого кремнію;
4) кінцева очищення кремнію методом бестігельной зонної плавки;
5) вирощування монокристалів.
У напівпровідниковому виробництві найбільшого поширення набув метод водневого відновлення трихлорсилану SiHCl 3. Його отримують обробкою подрібненого технічного кремнію сухим хлористим воднем при температурі 300 - 400 ° С:
Si + ЗНСl QUOTE
Трихлорсилану являє собою рідину з температурою кипіння 32 ° С. Тому він легко очищається методами екстракції, адсорбції та ректифікації.
На відміну від германію основна очищення кремнію від домішок здійснюється хімічними методами. Кристалізаційні методи мають мета - перетворити напівкристалічних кремній, отриманий хімічним шляхом, в монокристали з певними електрофізичними властивостями. Об'ємні кристали кремнію вирощують методами вирощування з розплаву і бестігельной вертикальної зонної плавки. Перший метод застосовується, як правило, для отримання великих монокристалів з відносно невеликим питомим опором (<2,5 Ом-м). Другий метод використовується для отримання високоомних монокристалів кремнію з малим вмістом залишкових домішок. Слід зауважити, що в технологічному відношенні кремній - більш складний матеріал, ніж германій, так як він має високу температуру плавлення 1412 ° С і в розплавленому стані хімічно дуже активний (вступає в реакцію практично з усіма тигельними матеріалами).
Метод витягування з розплаву був раніше описаний. Істотним недоліком цього методу при використанні його для вирощування монокристалів кремнію є забруднення кристалів киснем. Джерелом кисню служить кварцовий тигель, який взаємодіє з розплавом відповідно до реакції
SiO 2 (TB) + Si (ж) → 2SiO.
Розчинення кварцу в кремній не тільки призводить до насичення киснем, але при цьому вводяться і інші домішки, що забруднюють кремній.
Вертикальна бестігельной зонна плавка забезпечує очищення кристалів кремнію від домішок і можливість вирощування монокристалів кремнію з малим вмістом кисню. У цьому методі вузька розплавлена зона утримується між твердими частинами злитку за рахунок сил поверхневого натягу. Розплавлювання злитків здійснюється за допомогою високочастотного індуктора (рис.2), що працює на частоті 5 МГц. Високочастотний нагрів дозволяє проводити процес бестігельной зонної плавки у вакуумі та в атмосфері захисного середовища.
Методом вертикальної бестігельной плавки в даний час отримують кристали кремнію діаметром до 100 мм. Кристали кремнію n - і p - типів отримують шляхом введення при вирощуванні відповідних домішок, серед яких найбільш часто використовуються фосфор і бор. Такі кристали електронного й діркового кремнію маркуються відповідно КЕФ і КДБ.
Кристалічний кремній при кімнатних температурах має невисоку реакційною здатністю; він досить стійкий на повітрі, покриваючись тонкою плівкою діоксиду кремнію. Кремній розчиняється у воді, не реагує з багатьма кислотами. Добре розчиняється лише в суміші азотної і плавикової кислот і в киплячій лугу.
Плавлення кремнію супроводжується деяким збільшенням його щільності (приблизно на 8%) і стрибкоподібним зменшенням питомого опору (приблизно в 30 разів). У розплавленому стані кремній має питомий опір порядку 10 -4 Ом-м і веде себе подібно рідким металів.
В даний час кремній є базовим матеріалом напівпровідникової електроніки. Він використовується як для створення інтегральних мікросхем, так і для виготовлення дискретних напівпровідникових приладів. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми, що відрізняються малими розмірами і складною конфігурацією активних областей, знайшли особливо широке застосування в обчислювальній техніці та радіоелектроніки.
З кремнію виготовляються різні типи напівпровідникових діодів: низькочастотні (високочастотні), малопотужні (потужні), польові транзистори; стабілітрони; тиристори. Широке застосування в техніці знайшли кремнієві фотопреобразовательние прилади: фотодіоди, фототранзистори, фотоелементи сонячних батарей. Подібно германію, кремній використовується для виготовлення датчиків Холу, тензодатчиків, детекторів ядерних випромінювань.
1 - монокристал; 2 - розплавлена зона, 3 - індуктор; 4 - напівкристалічних стрижень
Завдяки тому що ширина забороненої зони кремнію більше, ніж ширина забороненої зони германію, кремнієві прилади можуть працювати при більш високих температурах, ніж германієві. Верхній температурний межа роботи кремнієвих приладів досягає 180-200 ° С.