Физические свойства кремния и германия. Собственная и примесная проводимость элементарных полупроводников

Физические свойства кремния и германия. Собственная и примесная проводимость элементарных полупроводников. Способы получения и методы очистки полупроводниковых материалов.

²⁸₁₄ Si имеет три стабильных изотопа и три радиоактивных. Существует в двух формах: аморфной (бурый порошок) и кристаллической (в виде кристаллов октаэдрической формы) – серый  со стальным блеском. Обладает низкой электропроводностью. На внешнем энергетическом слое 2 s и 2р-электрона. В возбужденном состоянии  s-электроны распариваются, и один электрон переходит в свободную р ячейку. становится 4 валентных электрона (SiО₂). В этом сродство с углеродом. Известен гомологический ряд Si_n Н _{2n + 2} (как у предельных углеводородов, но их только 6).

По распространенности в природе занимает 2 место после кислорода. Минералы – кремнезем, кварц, горный хрусталь, силикаты –соли кремневой кислоты, тальк, полевой шпат, глины.

Проявляет сходство с бором. Он как и бор начинает серию неметаллов в IV периоде. Сходство по степени электропроводности. Кристаллический Si похож на аморфный. Но кристаллы кремния обладают еще и металлическим блеском. При обычных условиях взаимодействует только с F (фтор)  Si + 2 F = Si F₄. при повышении температурывзаимодействует со многими неметаллами. Si + 2Сl₂ = SiСl₄ ; Si + О₂= SiО₂;

Si + С = SiС (карборунд) изготавливают шлифовальные круги, точильные бруски. реагирует с металлами Мg, Сu, Fе с образованием силицидов. Мg ₂Si . в воде нерастворим.а в водных растворах щелочей: Si + 2NаОН + Н₂О = Nа₂SiО₃ +2Н₂#

Кислоты не действуют на кремний за исключением НF (плавиковая)

Si + 4НF = SiF₄ + 2Н₂#

Применяется кремний главным образом в металлургии и в полупроводниковой технике. В металлургии для удаления кислорода из расплавов металлов и служит составной частью сплавов (железа, меди, алюминия)

В полупроводниковой технике для изготовления фотоэлементов, усилителей, выпрямителей. Полупроводниковые элементы на основе кремния выдерживают нагрев  до 250^оС.

Рекомендуемые материалы

Соединение кремния SiО₂ – твердое вещество очень тугоплавкое, широко распространено, встречается в виде двух модификаций – кристаллического (кварц, песок) и аморфного. С водой не реагирует. Раствор Nа₂SiО₃ и К₂SiО₃ – называют жидким стеклом (изготавливают клей, водонепроницаемые ткани)силикаты входят в состав горных пород (асбест, полевой шпат). Силикаты, содержащие алюминий называют алюмосиликатами.

⁷²₃₂Gе  1 s² 2 s² 2р⁶3 s²3d¹⁰ 3р⁶4 s² 4р² на внешнем энергетическом уровне 4 s² 4р² в нормальном состоянии имеет 2 спаренных s –элекрона и 2 неспаренных р электрона. В возбужденном состоянии s электроны распариваются  и один занимает свободную р орбиталь. Получается 4 валентных электрона.

Германий был одним из 3 –х элементов, предсказанных еще  Менделеевым. Это типичный рассеянный элемент и добывают его из отходов цветной металлургии и из пыли, осаждающейся в дымоходах газогенераторов. Он содержится в каменном угле. Это хрупкий металловидный неметалл, четырехвалентный почти во всех соединениях. При обычных условиях он устойчив. Образует очень непрочные газообразные соединения с водородом. Gе_nН_{2 n +2} , окисел GеО₂, ангидрид слабой и неустойчивой кислоты.Н₂GеО₃, соли которой называются германатами. Основной потребитель монокристаллического германия – радиотехника. Германиевый диод размером с кукурузное зернышко представляет собой пластинку из германия, в которую упирается металлический  усик. Он действует как выпрямитель, заменяющий вакуумную диодную лампу, превосходя ее надежностью работы, долговечностью и компактностью. Транзисторы из германия имеют те же самые преимущества перед ламповыми триодами. Здесь играют роль особые свойства полупроводников.

Как и кремний германий кристаллизуется подобно решетке алмаза. Каждый атом связан с 4 другими и связь осуществляется двумя электронами, по одному от каждого атома. Но в алмазе все валентные электроны закреплены прочно, а в кремнии и германии так слабо, что за счет энергии теплового движения отрываются от связываемых ими атомов и становятся свободными. Постоянное присутствие в кристаллах кремния и германия свободных электронов сообщает этим веществам электронную проводимость. При переходе каждого электрона из связанного в свободное состояние в ковалентной связи возникает пустое место ( или «дырка»). Такие «дырки» могут заполняться путем перемещения в них валентных электронов из ковалентных связей.

Если ввести элементV группы – сурьму, то ее атомы заменят часть атомов германия , то увеличится «дырочная» проводимость, увеличится значение электропроводности. Например кристалл с поверхностью всего в 100см³ достаточен для выпрямления переменного тока для электровоза в 400 лошадиных сил. На том же свойстве основано использование полупроводников  в радиотехнике.

В лекции "Ромен Гари" также много полезной информации.

При комнатной температуре германий устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот азотная  и концентрированная серная кислота окисляют его до диоксида GеО₂, особенно при нагревании:

Gе + 2 Н₂SО₄ = GеО₂$ + 2 SО₂# + 2Н₂О

Германий взаимодействует со щелочами в присутствии  водорода . при этом образуются соли германиевой кислоты – германаты.

Gе + 2NаОН +2Н₂О = Nа₂GеО₃ + 2Н₂О.

Соединения германия (ll) малоустойчивы.

Для использования германия в производстве полупроводников его тщательно очищают. Для придания ему электрических свойств в него вводят очень небольшие количества прuмесей (элементы lll и V групп мышьяк, сурьма, алюминий, галлий.