Dimpotrivă, germaniu, siliciu este unul dintre cele mai abundent element din scoarta terestra, unde aceasta conține 29,5% (în greutate). Ca prevalenta de siliciu este al doilea numai oxigen între elemente. Numeroase compus de siliciu include o majoritate de roci și minerale. Nisip și argilă minerală ce constituie o parte a solului, reprezintă, de asemenea, un compus de siliciu. Cel mai frecvent compus al acestui element este dioxid de siliciu SiO2. fără dioxid de siliciu se produce în principal sub formă de cuarț mineral. In unele domenii de nisip puritate de cuarț atinge 99,9%. Siliciul este într-o stare liberă în natură nu are loc. Forma elementară a fost produs pentru prima dată în 1811 și anume mult mai devreme decât Germania. Cu toate acestea, ca și siliciu materialul de electronice semiconductoare a fost utilizat pe scară largă numai în a doua jumătate a acestui secol, după dezvoltarea unor metode eficiente de curățare.
Prepararea siliciu. Materia primă pentru prepararea unui dioxid de siliciu natural (silice), din care siliciu este recuperat material cărbunos în cuptoare electrice. siliciu tehnic este o frită cu granule fine care conține aproximativ 1% impurități.
Tehnologia de producere a purității semiconductor de siliciu cuprinde următoarele operații: 1) transformarea siliciului într-un compus volatil, care după purificare poate fi ușor recuperată; 2) purificarea unui compus de metode fizice și chimice; 3) reducerea compusului cu eliberare de siliciu pur; 4) finală de purificare de cristalizare și creșterea monocristalelor.
In fabricarea semiconductorilor metoda cea mai utilizată de reducere a hidrogenului din SiHCl3 triclorosilanului. Acesta din urmă este produs prin tratarea zdrobit siliciu tehnic acid clorhidric gazos uscat, la o temperatură de 300-400 ° C:
Triclorosilanului este un lichid cu un punct de fierbere de 32 ° C Prin urmare, poate fi ușor de curățat prin extracție, adsorbție și distilare.
proprietățile electrice fizice, chimice și. Siliciul cristalizeaza în structura de diamant, cu puțin mai mică decât germaniu cristal identitate perioadă zăbrele. Mai mici decât germaniu, distanțele dintre atomii în rețeaua cauzează o legătură covalentă puternică și, în consecință, un bandgap mai larg.
Punct de vedere chimic de siliciu cristalin, la temperatura camerei, este o substanță relativ inertă. Este insolubil în apă, nu reacționează cu mulți acizi la orice concentrație. Ușor solubil numai într-un amestec de acid azotic și acid fluorhidric și fierbere alcaline.
Siliciul este stabil în aer prin încălzire la 900sS. Peste această temperatură, se începe oxidat rapid pentru a forma dioxid de SiO2. Când siliciu încălzit reacționează ușor cu halogeni, și la temperaturi de 1100 - 1300 ° C, capabil să comunice direct cu azotul pentru a forma un Si3N4 nitrură. Siliciul este foarte solubil în multe metale topite (Al, Ga, Sn, Au, Ag, etc.). Cu un număr de metale (. Cr, Mo, Fe, Cu, Mg, etc.) formeaza un compus chimic stabil - siliciuri. Siliciul are un punct de topire relativ ridicat și în stare topită are o reactivitate ridicată, astfel încât există mari dificultăți în alegerea materialului din creuzet pentru cultivarea monocristale. Cele mai pure materiale (cuarț, grafit), din care de creuzete fabricate în mod obișnuit și bărci la temperaturi ridicate reactioneaza cu silicon. Ca rezultat al reacției de siliciu cu carbon format Karbid Kremniya SiC - un compus chimic foarte stabil cu proprietăți semiconducting.
Comportamentul impurităților în siliciu se supune în mod substanțial aceleași legi ca și în germaniu. Atomii elementelor III și V a sistemului periodic, ca acceptori și donatori, respectiv, de a crea nivele puțin adânci în banda interzisă. Cu toate acestea, datorită constantei dielectrice mai mică și o mai mare masa efectivă de energie purtători de sarcină de ionizare a donatorilor de mică adâncime și acceptori în siliciu este substanțial mai mare decât germaniu și pentru cele mai multe impurități este de aproximativ 0,05 eV. Cu toate acestea, în acest caz, temperatura camerei corespunde epuizarea impurităților.
Spre deosebire de germaniu, purificarea în vrac siliciu din impuritățile se realizează prin metode chimice, care vor fi discutate în yunite 2.
Silicon Epitaxie. În tehnologia planară a dispozitivelor de siliciu și circuite integrate joacă un rol important în timpul depunerii epitaxială a straturilor subțiri. Epitaxia Termenul înseamnă orientate singur acumularea de cristal pe suprafața celuilalt cristal servind ca substrat. Cea mai comună formă de tehnologie industrială de obținere a unor straturi epitaxiale de siliciu proces se bazează pe reducerea hidrogenului tetraclorurii de siliciu, conform reacției:
Reacția are loc în reactoare de cuarț sau la temperaturi aproximativ 1200 ° C Substraturile sunt singur cristal de siliciu wafer, tăiate din lingou și supus lustruirea mecanice și chimice. Substraturile sunt plasate pe o bază de grafit, încălzit prin curenți de înaltă frecvență. Înainte de a începe depunerea substratului supus corodare gaz direct în reactor, prin adăugarea de vapori de HK1 în fluxul de gaz purtător. Gravare care apare pe reacția reversibilă (2.1) permite de a obține o suprafață curată neoxidate semiconductoare. Raportul rata de creștere este reglementată fluxuri de gaz ale reactivilor și temperatura. În condiții optime este de 15-20 nm / s. În practică, o grosime a stratului de 2 până la 20 microni. Doping straturilor este realizată din compușii de vapori care conțin elemente de impurități (de exemplu, RSl3, BBr3, AsH3 etc.).
Temperaturile relativ scăzute de operare și rata de cristalizare scăzută cauzează o puritate ridicată și perfecțiune structurală depuse straturi epitaxiale. structuri de creștere epitaxială cu joncțiuni p pe scara larga pentru izolarea -n element de circuit integrat regiune a taxei de spațiu, a căror lungime crește atunci când se aplică o prejudecată inversă a joncțiunii. pn
În unele cazuri, fabricarea de circuite integrate, straturi epitaxiale de siliciu depus pe un substrat dielectric monocristalin. Deoarece materialul de astfel de substraturi, folosind o varietate de substanțe :. Sapphire (Al2O3), spinel (MgOAl2O3), oxid de beriliu (BeO), cuarțul (SiO2) etc. Silicon Epitaxie pe substraturi dielectrice deschide posibilitatea de a crea circuite integrate cu elemente de izolare aproape ideale.
Suprafața de siliciu. Suprafața semiconductor nu este protejat în mod adecvat de influențe externe, în general, are proprietăți instabile. Adsorbția de diferite impurități la suprafață însoțită de formarea unor niveluri suplimentare de energie în banda interzisă a semiconductorului. Redistribuirea purtătorilor de sarcină între statele în vrac și de suprafață pot afecta semnificativ proprietățile electrice ale regiunii de suprafață (până la formarea stratului cu tipul de conductivitate opusă). Suprafața de siliciu după orice operație de curățare după un scurt contact cu aerul este filmul de oxid acoperit a cărui grosime variază în intervalul 1-5 nm. formarea peliculei de oxid subțire complică și mai mult nivelul de energie a imaginii, deoarece starea de suprafață poate fi nu numai în semiconductoare, ci în oxid. În multe cazuri, fenomenele de suprafață au asupra caracteristicilor dispozitivelor efect mai puternic decât proprietățile fizice ale volumului semiconductoare. Acest lucru face ca utilizarea diferitelor acoperiri pasivare protejează suprafața semiconductorului și formate în cadrul ei p joncțiuni -n din mediu. La dispozitivele de siliciu ca un film de acoperire pasivare SiO2 cel mai larg utilizat. Pentru a proteja suprafața semiconductorului necesită straturi de oxid destul de groase produse speciale de cultivare. În același timp, aceste straturi servesc ca acoperire de mascare în fabricarea de tranzistori plane și circuite integrate prin tehnici fotolitografice și difuzie selectivă a impurităților.
Cel mai frecvent filme oxidice sunt crescute pe suprafata de siliciu prin oxidare termică. Procesul de oxidare se realizează la o temperatură de 1100 - 1300 ° C într-o atmosferă de oxigen pur sau vapori de apă. Straturile produse de oxidare termică, caracterizată printr-o stare sticloasă și proprietățile sale sunt foarte aproape de cuarț topit. Ele sunt ușor de gravat într-o soluție apoasă de acid fluorhidric.
Un strat de oxid termic are capacitatea de a proteja semiconductorul prin difuziune din numărul extern de penetrare a mediului de impurități electric active. Proprietățile de mascare ale oxidului de SiO2 folosite în timpul proceselor de difuzie locală a impurităților într-o zonă predeterminată a plăcii singur cristal de siliciu printr-o fereastră specială, deschisă în stratul de oxid. Dacă impuritățile difuze relativ liber prin stratul de SiO2, în ceea ce privește impuritățile de oxid de siliciu, care va avea o capacitate de mascare rău. Din acceptori simplu doar bor are un coeficient relativ scăzut de difuziune în oxid. Asociat cu aceasta este utilizarea exclusivă practic de bor pentru a crea regiuni de tip p în dispozitive planare siliciu. Gallium diffuses în oxid este de aproximativ 400 de ori mai rapid decât în siliciu. pătrunde mai repede aluminiul SiO2. Donatorii simple (fosfor, arsen, antimoniu) se difuzează lent prin SiO2, iar oxidul poate masca în mod eficient siliciului pătrunderea impurităților. Cele mai utilizate pe scară largă tehnologie în fosfor plan. Acest lucru se datorează faptului că are un coeficient de difuzie de siliciu mai mare decât arsenicul și antimoniu, și mai mare decât stibiu, solubilitatea de limitare.
Chiar și mai bine de protecție și dielectrice proprietăți sunt comprimate siliciu nitrură Si3N4. Chiar și straturi foarte subțiri de nitrură de siliciu pe ordinea de 0,1 micrometri grosime, la temperaturi de 1100-1200 ° C, sunt impermeabile la majoritatea impurităților donor și acceptor utilizat în dopaj siliciu de difuzie. Adecvat pentru utilizare practică straturi Si3N4 sunt adesea depozitate prin reacția silanului cu amoniac la temperatura de nitrurare 700-1100 ° C:
Metoda cea mai simplă pentru a obține nitrură prin reacția directă a azotului cu siliciu, în contrast cu oxidare termică, nu și-a găsit aplicarea practică datorită vitezei de reacție foarte scăzută a temperaturilor ridicate de operare și de nitrurare.
Pentru utilizarea în dispozitive tehnologice plane și circuite integrate este de dorit să se obțină straturi amorfe, deoarece aceasta reduce stresul mecanic la interfața cu substratul și reduce probabilitatea de apariție a defectelor, cum ar fi golurile și fisurile formate pe interfețele dintre granulele din stratul care are o structură cristalină. La primirea nitrură prin reacția (2.2) este întotdeauna straturi amorfe, în cazul în care temperatura substratului de siliciu nu depășește 900 ° C,
siliciu polycrystalline. La fabricarea circuitelor integrate de mari dimensiuni din ce în ce în ce mai răspândită metodă bazată pe utilizarea de siliciu policristalin. Caracteristica acestei metode constă în faptul că suprafața de plachete de siliciu acoperite cu un strat dielectric de SiO2, este depus un strat de siliciu policristalin, care poate îndeplini funcția de rezistență, de interconectare și de contact regiuni pentru emițător și colectorul tranzistorului. In majoritatea cazurilor, depunerea se realizează printr-un proces de descompunere termică a silan SiH4. Metoda silan face posibilă obținerea unui strat dens de structură cu granulație fină, la temperaturi relativ scăzute (700-1000 ° C).
Înaltă rezistență la siliciu policristalin, în combinație cu un strat de oxid de SiO2 este utilizat pentru a stabili o izolare dielectric fiabilă între elementele circuitelor integrate. În structura prezentată în Fig. 9, regiuni discrete de siliciu monocristalin încorporat într-un substrat policristalin și separate unul de celălalt prin pelicula de oxid. O astfel de structură plană este formată pe un substrat monocristalin (fig. 9a), care ulterior a fost îndepărtat prin Șlefuire.
Fig. 9. Izolarea elementelor cu circuite integrate folosind un siliciu policristalin 1 - inițial substrat singur cristal; 2 - strat policristalin
Pentru a crea conductor de film și rezistențe de anvelopă folosind strat de siliciu policristalin dopat având o rezistivitate de suprafață = 20 Rweak ¸ 60 ohmi. Doping straturi se realizează fie simultan cu depunerea lor sau în timpul difuzării ulterioare. Spre deosebire de un singur cristal de siliciu, straturi policristaline în condiții normale, caracterizate printr-un coeficient de temperatură negativ al rezistivității. La fabricarea la scară largă chips-uri integrate interconectează procesului polisiliciu oferă mai multe avantaje față de suprafața metalizare aluminiu. Implementarea lor poate creste in mod dramatic densitatea elementelor și circuite integrate pe scară largă de performanță.
Utilizarea siliciului. Siliciul este materialul de bază în fabricarea de tranzistori plane și circuite integrate. Dezvoltarea tehnologiei planare a dispozitivelor de siliciu a permis să facă un salt calitativ în industria de semiconductori. circuite integrate semiconductoare, caracterizate printr-o dimensiune foarte mică și configurație complicată a regiunilor active, în special a constatat utilizarea pe scară largă în primirea și amplificarea echipamente și computer echipamente.
În ciuda dezvoltării rapide a microelectronicii integrate, în producția totală de produse semiconductoare constituie o proporție semnificativă de dispozitive discrete de siliciu. Realizat din redresor de siliciu, diode în impulsuri și microunde, cu frecvență joasă și de înaltă frecvență, de mare putere și tranzistoare bipolare de mică putere, tranzistori cu efect de câmp și încărcare dispozitive cuplate. frecvențe de operare tranzistori planare ajunge la 10 GHz.
Silicon diode redresoare de joncțiune poate rezista la tensiuni inverse pana la 1500 V, iar curentul care curge în direcția înainte până la 1500 A, depășind substanțial aceste diode parametri germaniului.
Fabricate din diode Zener de siliciu și tiristori cele mai multe. Diodă Zener, în funcție de gradul de material dopaj au o stabilizare a tensiunii de 3 până la 400V
Utilizarea pe scară largă a tehnicii găsită dispozitivele de siliciu fotosensibili, în particular fotodiode, caracterizate printr-o viteză mare. Spectrum fotodetectori fotosensibilitate siliciu (0.3-1.1 microni), este de acord bine cu spectrul de emisie al multor surse de lumină semiconductor. celule fotovoltaice siliciu, pentru transformarea energiei solare în electricitate sunt numite panouri solare. Acestea sunt utilizate în sistemele de alimentare a navelor spațiale. Coeficientul de eficiență în cele mai multe cazuri, este de 10-12%.
La fel ca Germania, siliciu este utilizat pentru fabricarea de detectoare de radiații nucleare, senzori Hall și celule de sarcină. In trecut am folosit o dependență puternică a rezistenței împotriva tulpinii mecanice.
Datorită faptului că siliciu are o bandgap mai mare decât germaniu, dispozitive de siliciu poate funcționa la temperaturi mai mari decât germaniu. Limita superioară a temperaturii de funcționare a dispozitivelor de siliciu ajunge la 180-200 ° C.