Кремний
Linas JuozėnasПоделиться
Кремний: тетраэдрический элемент, связывающий камень, стекло, свет и логику
Кремний связывает два масштаба, которые редко рассматривают, рассказывая об одном и том же материале. В земной коре он образует каркасы, цепочки, слои и отдельные тетраэдры с кислородом в центре, из которых состоят кварц, полевой шпат, глина, слюда, пироксен, амфибол и множество других минералов. Очищенный до элементарной формы, тот же атом становится точно управляемым полупроводником, проводимость которого можно изменять добавлением ничтожных количеств бора, фосфора и других подобных легирующих примесей. Его ценность определяется не распространённостью металла и не цветом драгоценного камня, а структурой: четырьмя ковалентными связями, стабильным оксидом, изменяемой шириной запрещённой зоны и системой производства, которая позволяет формировать миллиарды устройств на полированной поверхности кристалла.
Краткие факты
Элементарный кремний — это полупроводник с ковалентными связями, а не обычный металл. Его полированная поверхность может выглядеть металлической, однако электрические свойства, хрупкий излом, оптическое поглощение и кристаллическая структура, в которой у каждого атома четыре соседа, относят его к другой категории материалов. Почти весь кремний, встречающийся в природе, химически соединён с кислородом и другими элементами; образцы элементарного кремния коллекционного размера обычно очищают или выращивают в лаборатории.
| Термин | Значение | Важное различие |
|---|---|---|
| Кремний | Химический элемент Si в виде простого вещества, сплава, кристаллического, поликристаллического или аморфного материала. | Элементарный кремний — это не кварц и не гибкий силиконовый полимер. |
| Диоксид кремния | Диоксид кремния, SiO₂, встречается в виде кварца, тридимита, кристобалита, коэсита, стишовита, опала, стекла и родственных форм. | Диоксид кремния содержит кислород, а его свойства сильно отличаются от свойств элементарного кремния. |
| Силикат | Большая группа минералов и материалов, основу структуры которых составляют тетраэдры кремния и кислорода, связанные с металлами и другими катионами. | Полевой шпат, слюда, глина, пироксен, амфибол, оливин и гранат — это силикаты, а не элементарный кремний. |
| Силикон | Семейство синтетических полисилоксановых материалов, в основной цепи полимеров которых чередуются атомы кремния и кислорода. | Силиконы могут быть похожи на резину, быть жидкими, смолистыми или липкими; это не элементарный кремний. |
| Карбид кремния | SiC — твёрдая ковалентная керамика, встречающаяся в природе в виде редкого минерала муассанита и производимая в различных формах для технического применения. | Он твёрже, плотнее и отличается оптическими свойствами от элементарного кремния. |
| Поликремний | Высокочистый поликристаллический кремний, осаждённый в виде стержней, кусков или гранул для производства полупроводниковых и фотогальванических изделий. | Название указывает на множество кристаллических зёрен, а не на полимер, содержащий кремний. |
| Монокристаллический кремний | Цельный кристалл с единой кристаллографической ориентацией во всём используемом объёме. | Большинство пластин для интегральных схем изготавливают из тщательно выращенных монокристаллических слитков. |
| Аморфный кремний | Некристаллический кремний, осаждённый в виде тонкой плёнки, обычно гидрируют, чтобы уменьшить количество электронных дефектов. | Для него не характерен дальний порядок кубической структуры типа алмаза, присущий кристаллу пластины. |
Идентичность, название и граница между элементом и минералом
Кремний — это элемент, а не общее название всех материалов, содержащих кремний. Это различие важно, поскольку элементарный кремний — тёмный, непрозрачный, хрупкий полупроводник с кубической кристаллической структурой типа алмаза, тогда как кварц — прозрачный или полупрозрачный диоксид кремния, а силикон — синтетический полимер.
Название восходит к словам, связанным с кремнем и твёрдым камнем. Ранние химики понимали, что диоксид кремния, вероятно, содержит неизвестный элемент, задолго до того, как смогли его выделить. Современная английская форма silicon была принята ещё до появления достаточно чистых образцов для подробного физического исследования.
О природном элементарном кремнии сообщалось при изучении редких метеоритов и сильно восстановительных условий на Земле, однако такие находки обычно имеют микроскопический размер и требуют подтверждения аналитическими исследованиями. Образец размером с ладонь с маркировкой «кремний» почти всегда является промышленным материалом: металлургическим кремнием, поликремнием, кристаллом, выращенным из расплава, пластиной или обработанным компонентом.
Элементарный кремний
Ковалентный кристалл, состоящий только из атомов кремния, не считая легирующих добавок, примесей, поверхностного оксида и слоёв, образовавшихся в процессе обработки.
Диоксид кремния
Кристаллический, стекловидный, опаловый или высокобарический диоксид кремния. Его кислородный каркас определяет совершенно иные оптические и химические свойства.
Силикатные минералы
Минералы, в которых тетраэдры кремния и кислорода соединяются с алюминием, магнием, железом, кальцием, натрием, калием и другими элементами.
Кремниевые сплавы
Ферросилиций и алюминиево-кремниевые сплавы содержат значительное количество кремния, но по свойствам относятся к многофазным металлическим материалам, а не к чистым полупроводникам.
Силиконы
Промышленно производимые полимеры, гибкость, герметизирующие свойства, термостойкость и поверхностные свойства которых определяются основной цепью Si–O с органическими боковыми группами.
Терминология коллекционеров
В описаниях следует указывать, является ли образец металлургическим кремнием, поликремнием, монокристаллом, поликристаллом, материалом для изготовления пластин, покрытым материалом, легированным или обработанным.
Атомная структура: почему четыре связи меняют всё
При обычном давлении кристаллический кремний имеет кубическую структуру типа алмаза. Каждый атом связан с четырьмя соседними атомами, расположенными в направлениях вершин тетраэдра. Эта открытая, направленная структура объясняет хрупкость и спайность кремния, его полупроводниковую зонную структуру, сравнительно низкую плотность и необычное расширение при затвердевании.
Тетраэдрическая координация
Каждый атом кремния образует четыре прочные ковалентные связи, идеальный угол между которыми составляет около 109,5°. Эта геометрия повторяется в кристалле в трёх измерениях.
Кубическая решётка типа алмаза
Эту структуру можно описать как две взаимопроникающие кубические гранецентрированные подрешётки, смещённые относительно друг друга.
Спайность и хрупкость
Монокристаллы могут раскалываться вдоль плоскостей {111}. На обломках также видны изогнутые поверхности раковистого излома, особенно там, где излом не проходит по одной чёткой плоскости.
Расширение при затвердевании
В жидком кремнии атомы расположены плотнее, чем в открытой тетраэдрической структуре твёрдого кремния, поэтому при затвердевании материал расширяется — это необычное свойство, характерное также для воды и нескольких родственных веществ.
Структуры высокого давления
Под воздействием чрезвычайно высокого давления кремний превращается в более плотные фазы с металлическими свойствами. Это показывает, что электрические свойства зависят не только от состава, но и от расположения атомов.
Изотопный состав
В природном кремнии преобладает ²⁸Si, а ²⁹Si и ³⁰Si встречаются в меньших количествах. Изотопное обогащение важно для прецизионной метрологии и некоторых исследований квантовых устройств.
Монокристалл
Единая непрерывная кристаллографическая ориентация позволяет прогнозировать перенос электронов, контролировать раскалывание и обеспечивать воспроизводимость изготовления приборов.
Поликристаллический кремний
Множество зёрен с разной ориентацией соприкасаются по границам, которые могут захватывать заряд, рассеивать носители заряда, концентрировать примеси или облегчать разрушение.
Аморфный кремний
Дальнего порядка нет. При использовании в тонкоплёночной электронике множество оборванных связей обычно пассивируют водородом.
Пористый и наноструктурированный кремний
Контролируемое травление или выращивание позволяют создавать поры, проволоки, частицы и фотонные структуры, свойства которых отличаются от свойств массивного кристалла.
Кремний на Земле: тетраэдры, выветривание, осадки и жизнь
Кремний — второй по массовой доле распространённости элемент земной коры, однако большая его часть связана с кислородом. Тетраэдр SiO₄ — одна из важнейших структурных единиц минералогии; эти тетраэдры соединяются различными способами, образуя породы от мантии до поверхности континентов.
| Структурное расположение | Как соединяются тетраэдры | Характерные материалы |
|---|---|---|
| Изолированные тетраэдры | Каждая единица SiO₄ остаётся отдельной и связывается с другими через прочие катионы. | Оливин, гранат, циркон и многие минералы мантии или метаморфические минералы. |
| Парные группы и кольца | Тетраэдры делят некоторые атомы кислорода, образуя двойные единицы или замкнутые кольца. | Структуры группы эпидота, берилл, турмалин и родственные минералы. |
| Одинарные цепочки | Каждый тетраэдр делит два атома кислорода вдоль протяжённой цепочки. | Пироксены, такие как авгит, диопсид и энстатит. |
| Двойные цепочки | Две цепочки тетраэдров периодически соединяются в более широкие ленты. | Амфиболы, такие как роговая обманка и тремолит. |
| Слои | Каждый тетраэдр делит три атома кислорода с соседними и образует широкие слои. | Слюда, глинистые минералы, тальк, серпентин и хлорит. |
| Каркас | Все четыре вершины тетраэдра участвуют в трёхмерной сетке. | Полевые шпаты, фельдшпатоиды, цеолиты, кварц и кварцевое стекло. |
Магматические породы
Содержание кремния и насыщенность диоксидом кремния помогают определять вязкость магмы, ассоциацию минералов, характер извержения и то, будут ли кристаллизоваться кварц, полевой шпат, пироксен, оливин или фельдшпатоиды.
Выветривание и почва
При выветривании силикатов выделяется растворённая кремниевая кислота и образуются глинистые минералы, а в течение геологических периодов расходуется атмосферный углекислый газ.
Песок и осадки
Кварц сохраняется на протяжении многих циклов выветривания и накапливается в песке, песчанике, пляжных отложениях, дюнах и речных системах.
Биогенный диоксид кремния
Диатомовые водоросли, радиолярии, многие губки и фитолиты растений образуют структуры из гидратированного или аморфного диоксида кремния, полученного из воды или почвы.
Поведение кремния в глубинах Земли
В мантии кремний входит в состав силикатов высокого давления. При ещё более высоком давлении координация меняется и становятся стабильными плотные структуры.
Диагенез диоксида кремния
Биогенный опал и вулканическое стекло, погребённые под осадками, могут преобразовываться в опал-CT, халцедон или кварц, что меняет пористость и прочность породы.
Физические, тепловые, химические и оптические свойства
Эталонные значения зависят от температуры, ориентации кристалла, концентрации примесей, плотности носителей заряда, структуры зёрен и обработки поверхности. Поэтому свойства монокристалла полупроводникового качества воспроизводимее, чем у куска металлургического кремния, содержащего железо, алюминий, кальций, углерод и другие примеси.
| Свойство | Типичное значение или поведение | Практическое значение |
|---|---|---|
| Атомный номер | 14. | Определяет место кремния в 3-м периоде между алюминием и фосфором, а также в группе углерода. |
| Стандартная атомная масса | 28,085. | Отражает естественную смесь трёх стабильных изотопов. |
| Кристаллическая система | Кубическая, алмазная структура; пространственная группа Fd3̅m. | Определяет спайность, анизотропные механические свойства, электронные энергетические зоны и ориентацию пластинки. |
| Плотность | Примерно 2,329 г/см³ при температуре, близкой к комнатной. | Легче галенита, гематита, карбида кремния и большинства похожих материалов с металлическим блеском. |
| Твёрдость | Примерно 6,5–7 по шкале Мооса. | Устойчив к царапинам обычной сталью, однако его могут поцарапать кварц, корунд, алмаз и твёрдые абразивные частицы. |
| Спайность и излом | Яркая спайность по плоскостям {111}; в других направлениях излом раковистый или неровный. | Тонкие пластинки и острые осколки могут внезапно ломаться при изгибе или надавливании на край. |
| Температура плавления | Примерно 1414 °C. | Позволяет выращивать кристаллы из расплава, но для этого нужны контролируемые системы выращивания кристаллов, устойчивые к высоким температурам. |
| Температура кипения | Примерно 3265 °C. | Имеет значение при высокотемпературной обработке и контроле загрязнения в газовой фазе. |
| Теплопроводность | Для монокристалла высокой чистоты при температуре, близкой к комнатной, — примерно 148 W/м·К. | Высокая по сравнению с другими полупроводниками и подобными керамике твёрдыми материалами, но ниже, чем у меди или серебра. |
| Тепловое расширение | Небольшое; его направленный характер ограничен кубической кристаллической решёткой. | Полезен в точных приборах, хотя из-за температурных градиентов пластины всё же могут треснуть. |
| Ширина запрещённой зоны | Непрямая запрещённая зона шириной примерно 1,12 эВ при комнатной температуре. | Подходит для электроники и преобразования солнечной энергии в электричество, но излучает свет менее эффективно, чем полупроводники с прямой запрещённой зоной. |
| Оптика видимого света | Сильно поглощает свет и в обычном объёмном виде выглядит непрозрачным. | Полированные пластины под поверхностными покрытиями выглядят тёмно-серыми, серо-коричневыми или почти чёрными. |
| Инфракрасная оптика | Высокий показатель преломления и пригодное для практического использования пропускание в некоторых диапазонах ближнего и среднего инфракрасного излучения. | Позволяет производить инфракрасные линзы, окошки, датчики и устройства интегральной фотоники. |
| Естественный поверхностный оксид | На воздухе самопроизвольно образуется тонкая плёнка оксида кремния; более толстый высококачественный слой оксида выращивают или осаждают промышленным способом. | Пассивирует поверхность и образует технологически ценную границу. |
| Химические свойства | Благодаря поверхностному оксиду кремний стабилен в воде и устойчив ко многим кислотам при комнатной температуре; на него воздействуют специальные травители и сильные щёлочи. | Обычно чистить бытовыми средствами не требуется; это может повредить покрытия или слои металлизации. |
Физика полупроводников: носители заряда, легирующие примеси, переходы и межфазные границы
В чистом кристаллическом кремнии при комнатной температуре очень мало подвижных носителей заряда по сравнению с металлом. Его практическая ценность раскрывается, когда температура, свет, электрические поля и тщательно подобранные примеси изменяют количество и движение электронов и дырок.
Собственный кремний
Тепловая энергия иногда переводит электрон через запрещённую зону, оставляя подвижное незанятое состояние, называемое дыркой. Электронов и дырок поровну.
Кремний n-типа
Атомы-доноры, например фосфор, мышьяк или сурьма, предоставляют электроны, которые легче перемещаются по кристаллу, чем собственные носители заряда.
Кремний p-типа
Атомы акцепторной примеси, чаще всего бора, создают подвижные дырки, которые в структуре валентной зоны выступают как носители положительного заряда.
p–n-переход
В месте соприкосновения областей p-типа и n-типа при перераспределении заряда возникает внутреннее электрическое поле. Работа диодов, фотодиодов, транзисторов и солнечных элементов зависит от свойств этого перехода.
Структура МОП
Сформированный в контролируемых условиях слой оксида или аналогичного диэлектрика отделяет электрод затвора от кремния. Электрические поля на границе раздела создают или устраняют проводящий канал.
Дефекты и ловушки
Вакансии, дислокации, примеси, границы зёрен, оборванные связи и загрязнённые поверхности могут захватывать заряд или сокращать время жизни носителей заряда.
| Состояние материала | Основные носители заряда | Способ получения | Обычное применение |
|---|---|---|---|
| Собственный кремний | Равное количество электронов и дырок, образованных тепловым возбуждением. | Сверхчистый кристалл без намеренно введённых электрически активных легирующих примесей. | Точка отсчёта для оценки свойств, материал для детекторов и основа для начального этапа проектирования устройств. |
| Кремний n-типа | Электроны. | Целенаправленное легирование донорной примесью, часто фосфором, мышьяком или сурьмой. | Области транзисторов, контакты, диоды, датчики и структуры солнечных элементов. |
| Кремний p-типа | Дырки. | Целенаправленное легирование акцепторной примесью, чаще всего бором. | Подложки, области транзисторов, переходы, датчики и фотоэлектрические устройства. |
| Компенсированный кремний | Определяется равновесием между атомами донорной и акцепторной примесей. | Присутствуют оба типа легирующих примесей, введённых целенаправленно или попавших в материал в результате загрязнения. | Точное управление удельным сопротивлением или компенсация влияния нежелательных примесей. |
| Сильно легированный кремний | Очень высокая концентрация электронов или дырок. | Сильное легирование при ионной имплантации, диффузии или выращивании кристалла. | Низкоомные контакты и области, частично обладающие свойствами проводников. |
От кварца до кристалла для электроники
Производство кремния — это последовательность этапов, на которых всё точнее контролируют химический состав и структуру. Кварц восстанавливают до металлургического кремния, который очищают с помощью летучих соединений, осаждают в виде поликремния, кристаллизуют в слиток, нарезают на пластины, а затем в течение сотен строго контролируемых технологических этапов формируют в нём структуры.
- Карбтермическое восстановлениеКварц или кварцит высокой чистоты вступает в реакцию с углеродом в печи с погружённой электрической дугой. Упрощённая общая реакция: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Кремний металлургической чистотыПродукт, полученный в печи, обычно содержит около 98–99 % кремния, а количество примесей всё ещё значительно превышает допустимое для передовой электроники.
- Химическое превращениеВ результате химических реакций кремний превращается в летучие хлорсиланы или силан, поэтому его можно многократно перегонять и очищать химическим способом.
- Осаждение поликремнияОчищенные газы разлагаются на нагретых поверхностях или в системах с псевдоожиженным слоем, образуя сверхчистые стержни или гранулы.
- Выращивание кристалловПри вытягивании кристалла методом Чохральского или очистке методом бестигельной зонной плавки получают монокристаллы с контролируемыми свойствами; литьём или направленной кристаллизацией получают мультикристаллический материал.
- Изготовление пластинПеред изготовлением устройств слитки ориентируют и разрезают на пластины, их кромки закругляют, а поверхности шлифуют, травят и полируют.
Кварц восстанавливают при высокой температуре
В ходе химических реакций в электрической печи углеродсодержащие материалы удаляют кислород, образуя расплавленный кремний с контролируемым, но всё ещё высоким содержанием примесей.
Кремний превращают в газы, пригодные для очистки
Летучие соединения позволяют отделять бор, фосфор, металлы, углеродсодержащие химические частицы и другие загрязнители химической обработкой.
Осаждают сверхчистый поликремний
Чистота, выражаемая большим количеством девяток в процентном значении, достигается благодаря тому, что на каждом этапе обработки удаляются или отделяются примеси, которые иначе изменили бы время жизни носителей заряда и удельное сопротивление.
Определяют ориентацию кристалла
Затравочный кристалл направляет рост так, чтобы в растущем слитке сохранялась заданная ориентация и контролировалась концентрация легирующих примесей.
Слиток превращают в пластины
При резке проволочной пилой получают тонкие диски. Обработкой кромок, химическим травлением и химико-механической полировкой создают плоскую поверхность с небольшим количеством дефектов.
Устройства формируют послойно
Окислением, осаждением, литографией, травлением, имплантацией, диффузией, очисткой, отжигом и металлизацией по всей пластине формируют электронные структуры.
Промышленные формы, типы кристаллов и коллекционные образцы
Образцы элементарного кремния обычно являются продуктами производства, а не находками геологических экспедиций. Поэтому наиболее полезная информация об их происхождении относится к промышленному производству: процесс изготовления, класс чистоты, метод выращивания, кристаллографическая ориентация, покрытие, производитель, дата и первоначальное назначение.
Металлургический кремний
Тёмные куски стального серого цвета с блестящими поверхностями излома, неравномерно распределёнными примесями, стекловидным изломом и иногда голубоватым или бронзовым поверхностным налётом.
Стержень поликремния
Осаждённый кремний высокой чистоты с матовой, бугристой, зернистой поверхностью или поверхностью, напоминающей цветную капусту, вокруг центральной нити.
Гранулы поликристаллического кремния
Мелкие сыпучие частицы, изготовленные для удобства обращения и плавления при выращивании кристаллов или производстве фотовольтаических устройств.
Монокристаллический слиток
Цилиндрический или иной формы кристалл, ориентация, диаметр, содержание кислорода, легирующая примесь и удельное электрическое сопротивление которого тщательно контролируются.
Зеркально отполированная пластина
Тонкий, чрезвычайно плоский диск с выемкой или прямым срезом кромки для определения ориентации. Цвет может быть обусловлен оксидной, нитридной, фоторезистивной или многослойной плёнкой.
Поликристаллическая пластина
Срез с множеством кристаллических зёрен, часто различимых благодаря протравленным границам, направленной текстуре или различному отражению света.
Дендритный кремний
Ветвящиеся формы кристаллов, выращенные из расплава путём контролируемого охлаждения, а не образовавшиеся при обычном росте минералов в природе.
Плёнка аморфного кремния
Тонкий осаждённый слой, используемый в электронике, детекторах, дисплеях и фотовольтаических структурах, а не отдельный кристалл для коллекционирования.
Кремний, выращенный методом Чохральского
Выращивается из расплава диоксида кремния в тигле. Содержание кислорода в нём можно контролировать; оно влияет на механическую прочность и характер дефектов.
Кремний, выращенный методом бестигельной зонной плавки
Узкая расплавленная зона перемещается вдоль стержня без использования тигля, в результате чего получают кремний с исключительно низким содержанием кислорода и высоким удельным электрическим сопротивлением.
Мультикристаллический кремний для солнечных элементов
Традиционно материал отливали в слитки, содержащие множество кристаллических зёрен. Из-за границ зёрен и примесей необходимы пассивация и тщательное проектирование солнечных элементов.
Технологически обработанный чип
Отрезанный фрагмент пластины с транзисторами, датчиками, соединительными проводниками, оптическими структурами или тестовыми рисунками. Видимые цвета в основном создаются поверхностными плёнками.
Историческая пластина
Пластина с документально подтверждённым происхождением, связанная с известной исследовательской программой, производственной линией, поколением устройств или учреждением, может иметь технологическое значение, превосходящее её материальную ценность.
Редкий самородный кремний
Природные зёрна элементарного кремния обычно микроскопические, обнаруживаются аналитическими методами и встречаются в метеоритах или необычной матрице земного происхождения, а не продаются в виде крупных отдельных кристаллов.
Химия поверхности, цвета тонких плёнок и инфракрасный свет
Непокрытый кремний от природы не бывает ярко-синим, фиолетовым или золотым. Такие цвета обычно возникают, когда свет отражается как от верхней, так и от нижней границы тонкой прозрачной плёнки. Даже небольшие изменения толщины оксида или нитрида существенно меняют интерференционный цвет.
Естественный оксид
При контакте с воздухом образуется очень тонкий оксидный слой, который химически пассивирует поверхность, но может быть слишком тонким для создания ярко выраженного цвета.
Термический оксид
При контролируемом окислении создаётся плотный слой SiO₂, толщину которого можно измерять оптическими методами и подбирать для изоляции, маскирования и управления свойствами поверхности.
Нитрид кремния
Покрытия из Si₃N₄ используют для пассивации, управления механическими напряжениями, маскирования и снижения отражения. Их интерференционные цвета могут быть похожи на цвета оксида или ярче их.
Фоторезист и технологические плёнки
Органические фоторезисты, металлы, диэлектрики и многослойные структуры придают дополнительные цвета, которые не отражают объёмный цвет самого элементарного кремния.
Прозрачность для инфракрасного излучения
Ниже края поглощения достаточно чистый кремний пропускает часть инфракрасного спектра и обладает высоким показателем преломления.
Поглощение свободными носителями заряда
При сильном легировании появляются подвижные носители заряда, которые поглощают инфракрасное излучение и сужают полезный оптический диапазон.
| Наблюдаемый признак | Вероятная причина | На что обратить внимание при оценке |
|---|---|---|
| Однородная стально-серая поверхность излома | Свежая поверхность элементарного кремния с тонкой декоративной поверхностной плёнкой. | Металлургические примеси могут затемнить поверхность или сделать её пятнистой. |
| Синяя, фиолетовая, розовая или янтарная пластина | Интерференция тонких плёнок, вызванная оксидом, нитридом, фоторезистом или многослойной технологической обработкой. | Одна лишь окраска не указывает на тип легирующей примеси, чистоту или назначение устройства. |
| Зеркально-чёрная полированная поверхность | Поглощение видимого света в сочетании с чрезвычайно гладкой отражающей поверхностью. | Тёмный вид не означает, что материал аморфный или нечистый. |
| Матовая поликристаллическая поверхность | Множество мелких кристаллических стенок, границ зёрен, осаждённых бугорков или следов химического травления. | Текстура может возникнуть в ходе производства, а не при естественной кристаллизации. |
| Радиальные или вихревые следы на пластине | Полировка, очистка, неравномерное осаждение, полосы роста кристалла или остатки технологического процесса. | Чтобы отличить следы производства от повреждений, может потребоваться профессиональное микроскопическое исследование. |
| Правильная выемка или прямой участок края | Элемент для ориентации и обработки, сформированный в ходе производства. | Это не повреждение в результате естественного разрушения. |
Области применения: от химии породообразующих соединений до программируемых поверхностей
Значение кремния далеко выходит за пределы компьютерных процессоров. Его соединения широко представлены в геологических материалах, а очищенный элементарный кремний используют для преобразования энергии, в датчиках, механике, оптике, химии и точных измерениях.
Стекло и керамика
Из диоксида кремния и силикатов изготавливают оконное стекло, волокна, оптическое стекло, фарфор, огнеупорные материалы, глазури, лабораторную посуду и техническую керамику.
Цемент и бетон
Силикаты кальция обеспечивают большую часть гидратации портландцемента и набора прочности бетона.
Интегральные схемы
На кремниевых пластинах создают логические системы, системы памяти, аналоговую электронику, системы управления мощностью, связи и обработки смешанных сигналов.
Фотовольтаика
Кристаллический кремний поглощает солнечный свет, разделяет созданные светом носители заряда на переходах и остаётся основой большинства обычных солнечных модулей.
МЭМС и датчики
Из кремния, прошедшего микромеханическую обработку, изготавливают акселерометры, датчики давления, микрофоны, гироскопы, системы управления потоками жидкости и резонансные структуры.
Инфракрасная оптика и фотоника
Высокий показатель преломления и прозрачность для инфракрасного излучения позволяют создавать волноводы, модуляторы, детекторы, линзы и интегральные оптические схемы.
Металлургические сплавы
Кремний улучшает литейные свойства, раскисляет сталь, изменяет свойства алюминиевых сплавов и входит в состав термостойких силицидов.
Силиконовые материалы
К конечным продуктам промышленной химии кремния относятся герметики, эластомеры, смазочные материалы, материалы для герметизации электронных компонентов, материалы медицинского назначения и термостойкие полимеры.
Точная метрология
Сверхчистые кристаллы и сферы кремния с контролируемым изотопным составом используют для измерений размеров и исследований фундаментальных констант.
Квантовые устройства
Изотопно-обогащённый кремний может уменьшить магнитный шум вокруг квантовых состояний на основе спина и предоставить хорошо развитую производственную платформу.
Распознавание и материалы, с которыми чаще всего путают
Массивный элементарный кремний надёжнее всего распознаётся по сочетанию признаков: низкая для материала с металлическим видом плотность, хрупкий раковистый излом, тёмно-серый цвет, твёрдая поверхность, отсутствие характерной для металлов пластичности и промышленное происхождение. Изготовленные пластины проще распознать по геометрии, вырезу, полировке и технологическим слоям, чем с помощью полевых испытаний.
Последовательность неразрушающего исследования
Прежде чем проверять одну блестящую поверхность, осмотрите объект целиком. Упаковка промышленного материала, этикетки, следы технологической обработки, ориентационные вырезы и связанное с ним оборудование могут рассказать больше, чем сам излом.
- Определите тип объектаРазличайте кремний, полученный в плавильной печи, поликремний, монокристалл, пластину, чип, покрытую подложку, сплав или имитацию.
- Оцените плотность приблизительноКремний кажется неожиданно лёгким по сравнению с галенитом, гематитом, сталью или карбидом кремния сопоставимого размера.
- Осмотрите геометрию изломаИщите раковистые изгибы, острые кромки, отражающие свет плоскости и разнообразие границ зёрен.
- Исследуйте систему поверхностных слоёвОпределите, какой слой придаёт цвет: оксид, нитрид, металл, резист, загрязнения или декоративное покрытие.
- Ищите зернистую структуруВ поликристаллическом материале могут быть видны границы кристаллов, зёрна, сегрегированные примеси и неправильные траектории излома.
- Проверьте магнитные свойстваЧистый кремний не является ферромагнитным; сильная реакция может указывать на ферросилиций, прилипший металл или загрязнение.
- Не царапайте пластиныИспытания на твёрдость повреждают полированные поверхности и могут вызвать трещины, начинающиеся от края.
- При необходимости используйте аналитические методыРаман-спектроскопия, рентгеновская дифракция, измерение удельного электрического сопротивления и пропускания инфракрасного излучения, а также анализ состава могут подтвердить идентичность материала и его технологическое состояние.
| Материал | Почему материал можно принять за кремний | Полезные отличительные признаки |
|---|---|---|
| Кварц или кварцевое стекло | Сходная твёрдость, раковистый излом и химический состав с высоким содержанием кремния. | Кварц и кварцевое стекло состоят из SiO₂, обычно прозрачны или полупрозрачны и не обладают металлическим блеском; элементарный кремний тёмный и непрозрачный для видимого света. |
| Карбид кремния | Тёмный ковалентный материал с поверхностями, имеющими металлический или радужный блеск. | SiC значительно твёрже и плотнее; для него часто характерны более выраженный искусственный радужный блеск или пластинчатые кристаллы. |
| Галенит | Свинцово-серый металлический вид и хрупкость. | Галенит значительно тяжелее, мягче и отличается совершенной кубической спайностью. |
| Гематит | Поверхности стального цвета с металлическим или полуметаллическим блеском. | Гематит плотнее и оставляет красновато-коричневую черту. |
| Графит | Тёмно-серый цвет, полуметаллический блеск и электропроводность. | Графит очень мягкий, жирный на ощупь, оставляет тёмный след и расслаивается на гибкие чешуйки. |
| Ферросилиций | Тёмные промышленные слитки с металлическим блеском, богатые кремнием. | Более высокая плотность, возможные магнитные свойства, фазы металлического сплава и химический состав с высоким содержанием железа. |
| Металлическое стекло или шлак | Тёмная, отражающая свет поверхность излома и неправильная форма промышленного изделия. | Пузырьки, текстура потёков, неоднородная плотность, смешанный состав и отсутствие признаков, характерных для кристаллического кремния. |
| Пластина с покрытием из стекла | Плоская круглая подложка с разноцветными тонкими плёнками. | Светопропускание у края, меньшая плотность, характер излома и оптические исследования помогают отличить стекло от кремния. |
Выделение, физика полупроводников и развитие технологических платформ на основе кремния
История кремния охватывает путь от анализа минералов до химического выделения, от хрупкого лабораторного материала до сверхчистого кристалла и от отдельных выпрямителей до интегральных систем. Переломным моментом стало не только открытие элемента, но и умение контролировать его чистоту, поверхность, дефекты кристалла и межфазные границы.
Диоксид кремния распознан как оксид неизвестного элемента
Химики поняли, что кварц и родственные вещества содержат компонент, устойчивый к обычным методам восстановления, но выделить его по-прежнему было трудно, поскольку кремний образует прочные связи с кислородом.
Получен нечистый кремний и сформировалось его английское название
В ходе ранних опытов по восстановлению получили материал, содержащий кремний, а английское название «silicon» заменило формы, образованные более непосредственно по образцу названий металлических элементов.
Йёнс Якоб Берцелиус выделяет аморфный кремний
Берцелиус получил и описал гораздо более чистое простое вещество, заложив основу для установления химической идентичности кремния.
Получен кристаллический кремний
Анри Сент-Клер Девиль получил кристаллический кремний, что позволило легче изучать его блеск, хрупкость и структуру.
Кремний становится материалом для электронных детекторов
Точечные контакты и кристаллические детекторы демонстрировали выпрямление ещё до того, как выращивание высокочистых кристаллов создало условия для современной полупроводниковой инженерии.
Высокочистый кремний открывает путь к транзисторам и практичным солнечным элементам
Очистка, контроль легирующих примесей, формирование переходов и выращивание кристаллов сделали кремний все более практичной альтернативой германию.
Пассивирование поверхности, планарная технология и устройства MOS меняют производство
Контролируемая граница раздела кремния и оксида позволила защищать поверхности, формировать контуры устройств с помощью фотолитографии и создавать интегральные схемы с высокой плотностью элементов.
Применение кремния расширяется в области фотоэлектрики, МЭМС, фотоники, метрологии и квантовых исследований
Эта же производственная платформа теперь используется для преобразования энергии, механических датчиков, оптических схем, кристаллов с контролируемым изотопным составом и устройств нанометрового масштаба.
Кремний стал основополагающим материалом не потому, что в естественном состоянии он особенно хорошо проводит электричество. Эту роль он получил благодаря тому, что его электропроводность, поверхность, геометрию и границы раздела фаз можно контролировать с исключительной точностью.
Оценка, происхождение и относительная значимость
Универсальной системы оценки коллекционного кремния не существует. Для необработанного слитка из плавильной печи, стержня поликремния, монокристалла для научных исследований, производственной пластины, кристалла с рисунком схемы, раннего солнечного элемента, исторической интегральной схемы и редкого природного зерна при оценке учитывают разные приоритеты.
Идентификация материала
Подтвердите, является ли объект элементарным кремнием, сплавом, карбидом кремния, стеклом с покрытием, технологически обработанным полупроводником или другим промышленным материалом.
Кристаллическая форма
Зафиксируйте, является ли образец монокристаллическим, поликристаллическим, дендритным, в виде аморфной пленки, пористым, расколотым, распиленным, полированным или осажденным.
Целостность поверхности
Проверьте сколы по краям, расколы по плоскостям спайности, царапины, помутнение, отпечатки пальцев, цвет оксида, расслоение, коррозию и повреждения слоя металлизации.
Технологическое происхождение
Производитель, метод выращивания, место производства, кристаллографическая ориентация пластины, легирующая примесь, удельное электрическое сопротивление, диаметр, дата и назначение могут быть важнее безупречного внешнего вида.
Исторический контекст
Маркировка научных образцов, поколение технологии производства, учреждение, тип устройства, корпус и документация могут помочь определить технологическую значимость.
Природное происхождение
Для подтверждения природного происхождения самородного кремния необходимы данные о месте находки, вмещающем материале, результаты анализа и сохранившаяся первичная матрица.
| Тип объекта | Ключевые свойства | Что проверить |
|---|---|---|
| Кусок металлургического кремния | Характерный излом, промышленное происхождение, текстура примесей, размер и стабильная поверхность. | Не подменён ли материал ферросилицием, нет ли шлака, покрытия, окисления и острых краёв, а также задокументирован ли источник происхождения. |
| Стержень или гранула поликристаллического кремния | Морфология осаждения, документы о чистоте, метод производства и неповреждённая структура. | Загрязнение, следы обращения, оборванная нить, покрытие и вводящие в заблуждение заявления о природном кристалле. |
| Монокристаллическая пластина | Диаметр, ориентация, вырез, толщина, полировка, легирующая примесь, удельное сопротивление и метод выращивания. | Сколы по краям, микротрещины, изгиб, царапины, загрязнение, покрытие и неизвестная история обработки. |
| Пластина с рисунком | Рисунок устройства или тестового образца, контекст производства, дата, расположение кристаллов, документация и сохранность поверхности. | Корродировавший металл, расслоившиеся плёнки, остатки фоторезиста, сколотый край и неполные данные о происхождении. |
| Историческая микросхема или интегральная схема | Идентифицируемые функция, производитель, дата, корпус, учреждение и технологический контекст. | Заменённый корпус, удалённые этикетки, поддельная маркировка, оборванные соединения и отсутствующая документация. |
| Образец самородного кремния | Природная матрица, точное место находки, аналитическое подтверждение, масштаб и история публикаций. | Промышленное загрязнение, материал плавильного производства, обломки от удара, искусственное включение и необоснованное указание происхождения. |
Уход, хранение, экспонирование и безопасность в мастерской
Массивный элементарный кремний химически стабилен в обычных условиях помещения, однако его края хрупкие, а обработанные поверхности могут содержать чувствительные оксиды, нитриды, металлы, полимеры или структуры устройств. Уход следует выбирать с учётом всего объекта, а не только кремниевой основы.
Массивные куски
Храните куски неправильной формы в мягких держателях, не допускайте их падения, а острые края сколов держите подальше от соседних образцов и рук.
Пластины без покрытия
Берите за край чистыми перчатками или подходящими инструментами для работы с пластинами. Избегайте изгибания, давления на края, складывания без прокладок и контакта с абразивными частицами.
Пластины с покрытием
Не считайте, что цветная поверхность устойчива к воде, спирту, растворителям, моющим средствам или протиранию. Видимая плёнка может быть мягче и менее стабильной, чем кремний.
Обработанные устройства
Металлические дорожки, контактные площадки, полимеры и корпуса микросхем могут корродировать или расслаиваться. Активным электронным устройствам также может потребоваться защита от электростатического разряда.
Контроль запылённости
Не шлифуйте кремний насухо, не обрабатывайте наждачной бумагой, не сверлите и не дробите его без принятия мер предосторожности. Используйте подходящие методы влажной обработки или местную вытяжку, а также соответствующие средства защиты глаз и органов дыхания.
Промышленные отходы неизвестного происхождения
На обработанном материале могут быть металлические плёнки, легирующие примеси, остатки, припой, фоторезист или загрязнения, незаметные при осмотре лицевой поверхности.
| Опасность | Возможное последствие | Способ предотвращения |
|---|---|---|
| Удар по краю | Скалывание, радиальные трещины, распространение раскола и острые осколки. | Используйте опоры с мягкими прокладками и держатели, не касающиеся краёв; храните отдельно. |
| Изгиб пластины | Мгновенное полное разрушение из-за небольшого изгиба или уже имеющегося дефекта края. | Поднимайте, равномерно поддерживая пластину, и никогда не вталкивайте её силой в тесный держатель. |
| Абразивная пыль | Необратимые царапины, помутнение, потеря блеска полированной поверхности и повреждение тонких плёнок. | Перед протиранием удалите свободные частицы чистой грушей для продувки или контролируемым бесконтактным способом. |
| Бытовой растворитель или очиститель | Набухание резиста, утрата покрытия, коррозия металла, остатки и изменение интерференционного цвета. | Не применяйте к обработанным поверхностям произвольно выбранные способы химической очистки. |
| Температурный градиент | Растрескивание из-за напряжений, отслаивание плёнок и повреждение металлизации. | Избегайте пламени, паров, нагревательных плит, мощных ламп и резких перепадов температуры. |
| Электростатический разряд | Повреждение работающих или имеющих историческую ценность активных схем. | Если устройство остаётся электрически активным или не защищено, при работе с ним используйте антистатические средства. |
| Сухая резка или шлифование | Острые частицы, разносящиеся по воздуху, и потенциально горючая мелкая пыль. | Применяйте средства контроля пыли, подходящие для профессиональной работы, и избегайте обработки отходов с неизвестными покрытиями. |
| Ненадёжное крепление | Соскальзывание пластины, давление на края, разрушение и истирание при трении о жёсткие зажимы. | Используйте широкие опоры из инертных материалов, не создающие точечной нагрузки. |
Документирование и ответственное описание
В подробном описании образца кремния отдельно указываются элементный состав, класс чистоты, кристаллическая структура, промышленная форма, история технологической обработки, покрытие, состояние устройства, природное происхождение и состояние. Одно название «кристалл кремния» может скрывать большую часть информации, придающей образцу смысл.
Идентификация материала
Укажите, относится ли материал к элементарному кремнию, ферросилицию, карбиду кремния, кремнию с покрытием, стеклянной подложке, поликремнию или другому подтверждённому материалу.
Кристалличность
Задокументируйте монокристаллическую, мультикристаллическую, поликристаллическую, аморфную, пористую, дендритную или неизвестную структуру.
Метод выращивания и очистки
Если известно, укажите металлургическую плавку, осаждение по методу Сименса, производство гранул в кипящем слое, выращивание методом Чохральского или методом плавающей зоны, литьё или осаждение плёнки.
Электронные характеристики
Сохраняйте сведения о кристаллографической ориентации, легирующей примеси, типе проводимости, удельном сопротивлении, диаметре, толщине, плоскостности, классе содержания кислорода и назначении в устройствах.
Структура поверхностных слоёв
Укажите, является ли поверхность непокрытой, окисленной, нитридированной, металлизированной, покрытой фоторезистом, пассивированной, с нанесённым рисунком, травлёной, а также находится ли образец в корпусе.
Происхождение и состояние
Сохраняйте сведения об изготовителе, учреждении, проекте, дате, упаковке, предыдущем использовании, сколах краёв, царапинах, загрязнении, ремонте и фотографиях.
Современная символика и смысл размышлений
Современные символические интерпретации кремния могут непосредственно опираться на его реальные свойства материала: четырёхкратную структуру связей, контролируемое легирование, избирательную проводимость, межслойные интерфейсы, точное формирование рисунка и превращение обильного минерального сырья в точную кристаллическую платформу. Эти темы представляют собой современные размышления, а не утверждения о древних традициях, связанных с кремнием.
Сначала структура, затем сложность
Огромная электронная система начинается с повторяющихся локальных связей: каждый атом предсказуемым образом связан с четырьмя соседями.
Небольшие добавки, большое влияние
Очень низкие концентрации легирующих примесей могут изменить проводимость на несколько порядков величины, напоминая о том, что тщательно подобранные добавки важнее их бесконтрольного количества.
Интерфейсы создают функциональность
Граница между кремнием и изолирующим слоем не просто разделяет их: именно здесь становятся возможны управляемые каналы и устройства.
Очистка как отбор
Необходимая для электроники чистота достигается повторными циклами разделения и измерения, а не одним впечатляющим этапом очистки.
Ограничения, заданные рисунком
Полезная цепь проводит ток не везде. Она направляет движение через специально сформированные области, барьеры и соединения.
Поверхность и внутреннее строение
Цвет пластины может определяться плёнкой толщиной всего в несколько нанометров, напоминая о том, что внешний вид и скрытая под ним структура связаны, но не тождественны.
Обзор пластины и Луны
- Выберите одну систему, которая кажется сложной, потому что каждая её часть считается одинаково проводящей.
- Определите основную структуру, которая должна оставаться стабильной.
- Назовите один вклад, который следует увеличить, одну примесь, которую нужно удалить, и одну границу, которую нужно укрепить.
- Определите, где движение должно быть лёгким, а где полезно сопротивление.
- Выберите одно измеримое действие, которое изменит систему, не перестраивая её целиком.
- По завершении одного полного цикла оцените результат и меняйте только одну переменную за раз.
Читайте дальше специализированные руководства по кремнию
Кремний можно изучать через кристаллографию элементарного кремния, оптику полупроводников, геологию, промышленную очистку, поликристаллическую структуру, историю технологий, современную символику и практику размышления.
Часто задаваемые вопросы
Кремний — это металл?
Кремний обычно относят к полуметаллам. Его поверхность выглядит металлической, однако это полупроводник с ковалентными связями, проводимость которого гораздо сильнее зависит от температуры и легирующих примесей, чем у обычного металла.
Кремний и диоксид кремния — это одно и то же?
Нет. Кремний — химический элемент Si. Формула диоксида кремния — SiO₂; к его разновидностям относятся кварц, кристобалит, тридимит, опал, кварцевое стекло и высокобарические формы.
Кремний и силикон — это одно и то же?
Нет. Силиконы — это семейство синтетических полимеров, основная цепь которых состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода, а к ней присоединены органические боковые группы. Силиконовая резина, масло, смола и герметик не являются элементарным кремнием.
Почему самородный кремний так редок?
Кремний образует прочные связи с кислородом и легко входит в состав структур диоксида кремния и силикатов. Для образования природного элементарного кремния необходимы необычно восстановительные условия, а его образования обычно бывают микроскопическими.
Почему кремниевая пластина выглядит синей или фиолетовой?
Цвет обычно возникает из-за интерференции в тонкой плёнке оксида, нитрида, фоторезиста или многослойном покрытии. Непокрытый полированный кремний сам по себе имеет цвет от тёмно-серого до почти чёрного.
Почему кремний используют в компьютерных микросхемах?
Кремний обладает подходящей шириной запрещённой зоны, качественным естественным и термическим оксидом, отличной пассивацией поверхности, достаточной теплопроводностью и механической прочностью. Кроме того, его сырьё широко распространено, технологии очистки хорошо отработаны, а методы производства высокоразвиты.
Чем кремний p-типа отличается от кремния n-типа?
Кремний p-типа содержит акцепторные примеси, благодаря которым основными носителями заряда становятся дырки. Кремний n-типа содержит донорные примеси, благодаря которым основными носителями заряда становятся электроны.
Что такое дырка?
Дырка — это эффективный положительный носитель заряда, связанный с отсутствием электрона в состоянии валентной зоны. Она ведёт себя так, будто положительный заряд движется по кристаллу.
Что такое поликремний?
Поликремний — это высокочистый поликристаллический элементарный кремний. Обычно его осаждают в виде стержней, кусков или гранул, а затем плавят для производства пластин или солнечных элементов.
Чем поликристаллический кремний отличается от монокристаллического?
В монокристаллическом кремнии во всём используемом объёме сохраняется одна кристаллическая ориентация. Поликристаллический кремний состоит из множества зёрен, разделённых границами, которые влияют на разрушение, распределение примесей и перенос носителей заряда.
Что такое аморфный кремний?
Аморфный кремний не имеет дальнего кристаллического порядка и обычно наносится в виде тонкой плёнки. Часто добавляют водород, чтобы пассивировать ненасыщенные связи и улучшить электронные свойства.
Что такое кремний, выращенный методом Чохральского?
Это монокристаллический кремний, выращенный путём медленного вытягивания и вращения кристаллической затравки из расплавленного кремния, помещённого в тигель из диоксида кремния. Этим методом изготавливают большинство обычных крупноформатных полупроводниковых пластин.
Что такое кремний, полученный бестигельной зонной плавкой?
Кремний, полученный бестигельной зонной плавкой, очищают и кристаллизуют, перемещая узкую расплавленную зону вдоль кремниевого стержня без использования тигля. Этот метод позволяет достичь очень низкого содержания кислорода и высокого удельного сопротивления.
Почему кремний не пропускает видимый свет, но подходит для инфракрасной оптики?
Фотоны видимого света обычно обладают достаточной энергией, чтобы поглощаться при электронных переходах в кремнии. Инфракрасные фотоны с меньшей энергией могут проходить сквозь достаточно чистый материал в определённом диапазоне длин волн, который зависит от области применения.
Проводит ли кремний электричество в естественном состоянии?
При комнатной температуре чистый кремний проводит электрический ток слабо по сравнению с металлом. Нагрев, свет, дефекты и целенаправленное легирование могут значительно повысить его проводимость.
Почему при нагревании кремния его проводимость повышается?
Нагрев возбуждает больше электронов, позволяя им преодолеть запрещённую зону, и тем самым создаёт дополнительные электронно-дырочные пары. Рост числа носителей заряда может перевесить снижение подвижности, вызванное колебаниями решётки.
Может ли элементарный кремний поцарапать стекло?
Острая кромка кремния может поцарапать многие виды обычного стекла, поскольку его твёрдость по шкале Мооса составляет около 6,5–7. Проверять твёрдость изготовленной пластины или документированного образца не нужно: такая проверка безвозвратно их повреждает.
Почему кремний так легко ломается, хотя он твёрдый?
Твёрдость характеризует сопротивление царапинам, а не разрушению. Решётка кремния с направленными ковалентными связями жёсткая, но хрупкая, а тонкие пластины чувствительны к дефектам кромок и изгибу.
Можно ли чистить кремний водой?
Не покрытый слоями массивный кремний выдерживает кратковременный контакт с водой, но обработанные пластины могут содержать плёнки, металлы, полимеры или остатки, которые этого не выдерживают. Для неидентифицированного обработанного образца безопаснее всего сначала применить сухую бесконтактную очистку.
Можно ли полировать сломанную кремниевую пластину?
Полировка удаляет имеющуюся поверхность и может разрушить цвет, обусловленный оксидом, слои устройств, признаки происхождения и геометрию кромок. Кроме того, образуется мелкая пыль, поэтому к этому не следует относиться легкомысленно.
Является ли карбид кремния разновидностью кремния?
Карбид кремния содержит кремний, но это отдельное соединение с формулой SiC. Он твёрже, плотнее, термостойче, а его электронные свойства отличаются от свойств элементарного кремния.
Что означает насечка на пластине?
Насечку делают в процессе производства, чтобы облегчить определение ориентации пластины и обращение с ней. Она помогает автоматизированному оборудованию ориентировать пластину и обозначает опорное кристаллографическое направление.
Можно ли определить точную толщину плёнки по цвету оксида?
При контролируемом освещении цвет может приблизительно указывать на толщину, но для её точного определения нужны калиброванные оптические измерения, поскольку цвет также зависит от угла, подложки, показателя преломления и дополнительных слоёв.
Что следует указать на этикетке образца?
Укажите химический элемент, чистоту или класс качества, монокристаллическую или поликристаллическую форму, метод выращивания, ориентацию пластины, легирующую примесь и удельное электрическое сопротивление, если они известны, покрытие, производителя, дату, предыдущее использование и состояние.
Заключительные размышления
В основе структуры кремния лежит простое локальное правило: каждый атом образует четыре направленные связи. Повторяясь по всему кристаллу, это правило создаёт решётку, достаточно жёсткую, чтобы служить основой для прецизионных приборов, и при этом достаточно хрупкую, чтобы треснуть от повреждения края. Те же связи обусловливают непрямую запрещённую зону, среднюю теплопроводность, высокий показатель преломления в инфракрасном диапазоне и поверхность, на которой можно сформировать слой оксида с чрезвычайно точными характеристиками.
В геологической среде кремний редко встречается в свободном виде. Он соединяется с кислородом, образуя тетраэдры, которые объединяются в отдельные группы, кольца, цепи, слои и каркасы. Так кремний становится составной частью минералов мантии, вулканического стекла, гранита, глины, почвы, песка, панцирей диатомовых водорослей, бетона, фарфора и оконного стекла.
Промышленная обработка обращает эту природную склонность к окислению в противоположную сторону. Кварц восстанавливают, кремний очищают с помощью летучих соединений, осаждают в виде поликристаллического кремния, выращивают кристалл с заданными свойствами, разрезают его на пластины, а затем формируют на них узоры, многократно добавляя и удаляя материал. Крошечные количества легирующих примесей меняют электрические свойства; плёнки нанометровой толщины изменяют цвет и межфазные поверхности; микроскопические дефекты определяют, будет ли устройство работать или выйдет из строя.
Поэтому для всестороннего понимания кремния необходимы знания минералогии, кристаллографии, термодинамики, физики твёрдого тела, оптики, металлургии, химии, производства, электроники, энергетики, консервации и истории технологий. Его исключительность заключается не в природной электропроводности и не во впечатляющем внешнем виде. Он уникален тем, что распространённый породообразующий элемент можно очищать и формировать его структуру и узоры, пока сам материал не станет программируемым.