Властивості кремнію
КРЕМНІЙ. (Silicium), Si – хім. елемент IV групи періодичної системи елементів; ат. н. 14, ат. м. 28,086. Кристалічний К.- темно-сіра речовина з смолистим блиском. У більшості з’єднань проявляє ступені окислення – 4, +2 і +4. Природний К. складається з стабільних ізотопів 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) і 30Si (3,05%). Отримані радіоактивні ізотопи 27Si, 31Si і 32Si з періодами напіврозпаду відповідно 4,5 сек, 2,62 год і 700 років. К. вперше виділений в 1811 франц. хіміком і фізиком Ж. Л. Гей-Люссак і франц. хіміком Л. Ж. Тенаром, але ідентифікований лише в 1823 швед, хіміком і мінералогом Й. Я. Берцеліусом.
Теплота сублімації і випаровування при т-рі плавлення відповідно 110 і 98,1 ккал / г-атом. Теплопровідність і електропровідність К. залежать від чистоти і досконалості кристалів. З ростом т-ри коеф. теплопровідності чистого К. спочатку збільшується (до 8,4 кал / см XX сек • град при т-рі 35 К), а потім убуває, досягаючи 0,36 і 0,06 кал / см • сек • град при т-рі відповідно 300 і 1200 К. Ентальпія, ентропія і теплоємність К. в стандартних умовах рівні відповідно 770 кал / г-атом, 4,51 і 4,83 кал / г-атом – град. К. диамагнитен, магнітна сприйнятливість твердого (-1,1 • 10-7 е.м.е. / г) та рідкого (-0,8 • 10-7 е.м.е. / г). К. слабо залежить від т-ри. Поверхнева енергія, щільність і кінематична в’язкість рідкого К. при т-рі плавлення складають 737 ерг / см2, 2,55 г / см3 і 3 • 10 м2 / сек. Кристалічний К.-типовий напівпровідник з шириною забороненої зони 1,15 ев при т-рі 0 К і 1,08 ев – при т-рі 300 К. При кімнатній т-рі концентрація власних носіїв зарядів близька до 1,4 • +1010 см -3, ефективна рухливість електронів і дірок – відповідно 1450 і 480 см2 / в • сек, а питомий електричний опір – 2,5 • 105 ом • см. З ростом т-ри вони змінюються за експоненціальним законом.
Електр, св-ва кремнію залежать від природи і концентрації домішок, а також від досконалості кристала. Зазвичай для отримання напівпровідникового К. з провідністю р- і n-типу його легують елементами IIIв (бором, алюмінієм, галієм) і Vв (фосфором, миш’яком, сурмою, вісмутом) підгруп, що створюють сукупність відповідно акцепторних і донорних рівнів, розташованих поблизу кордонів зон . Для легування використовують і ін. Елементи (напр., Золото), що формують т. І. глибокі рівні, к-які обумовлюють захоплення і рекомбінацію носіїв зарядів. Це дозволяє отримувати матеріали з високим електр. опором (1010 ом • см при т-рі 80 К) і невеликою тривалістю існування неосновних носіїв зарядів, що важливо для збільшення швидкодії різних пристроїв. Переходи. термоерс К. істотно залежить від т-ри і вмісту домішок, збільшуючись із зростанням електроопору (при р = = 0,6 ом – см, а = 103 мкв / град). Діелектрична проникність К. (від 11 до 15) слабо залежить від складу і досконалості монокристалів. Закономірності оптичного поглинання К. сильно змінюються зі зміною його чистоти, концентрації та характеру дефектів будови, а також довжини хвилі. Кордон непрямого поглинання електромагнітних коливань близька до 1,09 ев, прямого поглинання – до 3,3 ев. У видимій області спектра параметри комплексного показника заломлення (n – ik) досить істотно залежать від стану поверхні і наявності домішок. Для особливо чистого К. (при λ = 5461 А і т-рі 293 К) n = = 4,056 і к = 0,028. Робота виходу електронів близька до 4,8 ев. К. крихкий. Його твердість (т-ра 300 К) по Моосу – 7; НВ = 240; HV щ = 103; І = 1 250 кгс / мм2; модуль норм, пружності (полікристала) 10890 кгс / мм2. Межа міцності залежить від досконалості кристала: на вигин від 7 до 14, на стиск від 49 до 56 кгс / мм2; коеф. стисливості 0,325 • 1066 см2 / кг.
При кімнатній т-рі К. практично не взаємодіє з газоподібними (виключаючи фтор) і твердими реагентами, крім лугів. При підвищеній т-рі активно взаємодіє з металами і неметалами. Зокрема, утворює карбід SiC (при т-рі вище 1 600 К), нітрид Si3N4 (при т-рі вище 1300 К), фосфід SiP (при т-рі вище 1200 К) і арсеніди Si As, SiAS2 (при т-рі вище 1000 К). З киснем реагує при т-рі вище 700 К, утворюючи двоокис Si02, з галогенами – фторид SiF4 (при т-рі вище 300 К), хлорид SiCl4 (при т-рі вище 500 К), бромід SiBr4 (при т-рі 700 К) і нодід SiI4 (при т-рі 1000 К). Інтенсивно реагує зі мн. металами, утворюючи тверді розчини заміщення в них або хім. сполуки – силіциди. Концентраційні області гомогенності твердих розчинів залежать від природи розчинника (напр., В германии від 0 до 100%, в залозі до 15%, в альфа-цирконії менше 0,1%).
Розчинність металів і неметалів у твердому К. значно менше і зазвичай ретроградна. При цьому граничні вмісту домішок, що створюють в К. неглибокі рівні, досягають максимуму (кисень 2 • 1018, азот 1019, алюміній 2 • 1019, фосфор 1021, миш’як 2 • тисяча двадцять один см) в області т-р від 1400 до 1600 К. Домішки з глибокими рівнями відрізняються помітно меншою розчинністю (від 1 015 для селену і 5 • 1016 для заліза до 7 X 17 жовтня для нікелю і 10 18 см-3 для міді). У рідкому стані К. необмежено змішується з усіма металами, часто з дуже великим виділенням тепла. Чистий К. готують з технічного продукту 99% Si і по – 0,03% Fe, А1 і Со), одержуваного відновленням кварцу вуглецем в електр. печах. Спочатку з нього відмивають к-тами (сумішшю соляної та сірчаної, а потім фтористоводородной та сірчаної) домішки, після чого отриманий продукт (99,98%) обробляють хлором. Синтезовані хлориди очищають дистиляцією.
Напівпровідниковий К. отримують відновленням хлориду SiCl4 (або SiHCl3) воднем або термічним розкладанням гідриду SiH4. Остаточну очищення і вирощування монокристалів здійснюють бестигельной зонної плавного або за методом Чохральського, отримуючи особливо чисті злитки (вміст домішок до 1010-1013 см-3) ср T> 10 3 ом • см. Залежно від призначення К. в процесі приготування хлоридів або при вирощуванні монокристалів в них вводять дозовані кількості необхідних домішок. Так готують циліндричні злитки діаметром 2- 4 і довжиною 3-10 см. Для спец. цілей випускають і більші монокристали. Технічний К. і особливо його сплави з залізом використовують як раскіслателей сталі і відновників, а також легуючих присадок. Особливо чисті зразки монокристалічного К., легованого різними елементами, знаходять застосування в якості основи різноманітних слабкострумових (зокрема, термоелектричних, радіо-, світло- і фототехнічних) і потужнострумових (випрямлячі, перетворювачі) пристроїв.
Кремній або кремній
Кремній відноситься до неметалів, його атоми на зовнішньому енергетичному рівні мають 4 електрона. Він може віддавати їх, проявляючи ступінь окислення + 4, і приєднувати електрони, проявляючи ступінь окислення – 4. Однак здатність приєднувати електрони у кремнію значно менше, ніж у вуглецю. Атоми кремнію мають великий радіус, ніж атоми вуглецю.
Знаходження кремнію в природі.
Кремній дуже поширений в природі. на його частку припадає понад 26% маси земної кори. За поширеністю він займає друге місце (після кисню). На відміну від вуглецю C у вільному стані в природі не зустрічається. Він входить до складу різних хімічних сполук, в основному різних модифікацій оксиду кремнію (IV) і солей кремнієвих кислот (силікатів).
Серед силікатів найбільш важливими є алюмосилікати: польові шпати, слюди, глини і т.д. Основа глин – мінерал каолін Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O.
Отримання кремнію.
У промисловості кремній технічної чистоти (95 – 98%) отримують, відновлюючи кварц SiO2 коксом в електричних печах при прожарюванні:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
У лабораторії як відновник використовують магній або алюміній:
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO
Таким способом одержують аморфний з домішками порошок кремнію бурого кольору. Перекристалізацією з розплавлених металів (Zn, Al) його можна перевести в кристалічний стан.
Для напівпровідникової техніки кремній дуже високої чистоти отримують, відновленням при 1000 ° C тетрахлорид кремнію SiCl4 парами цинку:
SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2
і очищаючи його після цього спеціальними методами.
Фізичні і хімічні властивості кремнію.
Чистий кристалічний кремній – тендітний і твердий, дряпає скло. Подібно алмазу, він має кубічну кристалічну решітку з нековалентним типом зв’язку. Температура плавлення його 1 423 ° C. При звичайних умовах кремній малоактивний елемент, з’єднується тільки з фтором, але при нагріванні вступає в різні хімічні реакції.
Його використовують як цінний матеріал в напівпровідниковій техніці. У порівнянні з іншими напівпровідниками він відрізняється значною стійкість проти дії кислот і здатністю зберігати велику електричний опір до 300 ° C. Технічний кремній і феросиліцій використовують також у металургії для виробництва жаростійких, кислотостійких та інструментальних сталей, чавунів і багатьох інших сплавів.
З металами кремній утворює хімічні сполуки, звані силіцидом, при нагріванні з магнієм утворюється силіцид магнію:
Силіциди металів за структурою та властивостями нагадують карбіди, так металлоподобниє силіциди, так само як і металлоподобниє карбіди, відрізняються великою твердістю, високою температурою плавлення, хорошою електропровідністю.
При прожарюванні суміші піску з коксом в електричних печах утворюється сполуки кремнію з вуглецем – карбід кремнію, або карборунд:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO
Карборунд – тугоплавкое безбарвне тверда речовина, цінний абразивними і жаростійким матеріалом. Карборунд, як і алмаз, має атомну кристалічну решітку. У чистому стані – це ізолятор, але в присутності домішок стає напівпровідником.
Кремній як і вуглець, утворює два оксиду: оксид кремнію (II) SiO і оксид кремнію (IV) SiO2. Оксид кремнію (IV) – тверде тугоплавка речовина, широко поширене в природі у вільному стані. Це хімічно стійке речовина, взаємодіє тільки з фтором і газоподібним фтористим воднем або плавиковою кислотою:
SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
Наведене напрямок реакцій пояснюється тим, що кремній має велику спорідненість до фтору. Крім того, тетрафторид кремнію – летюча речовина.
У техніці прозорий кварц SiO2 використовують для виготовлення сталого тугоплавкого кварцового скла, яке добре пропускає ультрофіалетовие промені, має великий коеффіцент розширення, тому витримує значні миттєві зміни температури. Аморфна модифікація оксиду кремнію (II) трепел – має велику пористість. Його використовують як тепло і звукоізолятор, для виробництва динаміту (носій вибухової речовини) і так далі. Оксид кремнію (IV) у вигляді звичайного піску – один з основних будівельних матеріалів. Його використовують у виробництві вогнетривких і кислотостійких матеріалів, скла, як флюс в металургії і так далі.
Порівнянна молекулярні формули, хімічні та фізичні властивості оксиду вуглецю (IV) і оксиду кремнію (IV), легко побачити, що властивості цих схожих за хімтческому складом з’єднань різні. Це пояснюється тим, що оксид кремнію (IV) складається не просто з молекул SiO2, а з їх асоціатів, в яких атоми кремнію з’єднуються між собою атомами кисню. Оксиду кремнію (IV) (SiO2) n.
Атоми кремнію располжен в центрі тетраедра, а атоми кисню – по кутах його. Зв’язки Si – O дуже міцні, цим і пояснюється велика твердість оксиду кремнію (IV).
За хімічними властивостями оксид кремнію (IV) є кислотним ОСІДУ. Безпосередньо з водою він не реагує, тому кремнієву кислоту можна отримувати тільки непрямим способом, діючи на солі кремнієвої кислоти соляної або сірчаної кислотами.
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl
Спочатку кислота утворюється в розчині, а потім виподает в осад.
Кремнієві кислота і її солі.
Кремнієва кислота – дуже слабка кислота (слабше вугільної). При нагріванні вона разлогается по рівнянню реакції:
H2SiO3 = SiO2 + H2O
Оксид кремнію (IV) SiO2 відповідають кілька кремнієвих кислот, різних за складом. Їх склад в загальному вигляді запісивется формулою xSiO2 • yH2O.
Солі кремнієвих кислот називаються силікатами. У воді розчиняються Метасилікати натрію і калію – Na2SiO3 і K2SiO3, відомі в техніці під назвою розчинного скла (або рідке скло). Їх отримують, прожарюючи пісок з їдким натром або содою.
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2
Провідники, напівпровідники і діелектрики, кремній
На противагу германію, кремній є одним з найпоширеніших елементів в земній корі, де його міститься 29,5% (по масі). За поширеністю кремній займає серед елементів друге місце після кисню. Численні сполуки кремнію входять до більшості гірських порід і мінералів. Пісок і глина, що утворюють мінеральну частину грунту, також представляють собою з’єднання кремнію. Найбільш поширеним з’єднанням цього елемента є двоокис кремнію SiO2. Вільна двоокис кремнію зустрічається в основному у вигляді мінералу кварцу. У ряді родовищ чистота кварцового піску досягає 99,9%. Кремній у вільному стані в природі не зустрічається. В елементарному вигляді він вперше був отриманий в 1811 р тобто набагато раніше германію. Однак як матеріал напівпровідникової електроніки кремній знайшов широке застосування лише в другій половині поточного століття після розробки ефективних методів його очищення.
Отримання кремнію. Початковою сировиною при отриманні кремнію є природна двоокис (кремнезем), з якої кремній відновлюють вуглець матеріалів в електричних печах. Технічний кремній є дрібнокристалічним спік, що містить близько 1% домішок.
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) остаточна кристаллизационная очищення і вирощування монокристалів.
У напівпровідниковому виробництві найбільшого поширення набув метод водневого відновлення трихлорсилану SiHCl3. Останній отримують обробкою подрібненого технічного кремнію сухим хлористим воднем при температурі 300-400 ° С:
Трихлорсилану є рідиною з температурою кипіння 32 ° С. Тому він легко очищається методами екстракції, адсорбції і ректифікації.
Фізико-хімічні та електричні властивості. Кремній кристалізується в структурі алмазу з дещо меншим, ніж у германію, періодом ідентичності кристалічної решітки. Менші, ніж у германію, відстані між атомами в решітці зумовлюють сильнішу ковалентну хімічний зв’язок і, як наслідок цього, більш широку заборонену зону.
У хімічному відношенні кристалічний кремній при кімнатній температурі є відносно інертною речовиною. Він не розчиняється у воді, не реагує з багатьма кислотами в будь-якої концентрації. Добре розчиняється лише в суміші азотної і плавикової кислот і в киплячих лугах.
Кремній стійкий на повітрі при нагріванні до 900сС. Вище цієї температури він починає інтенсивно окислюватися з утворенням двоокису SiO2. При нагріванні кремній легко взаємодіє з галогенами, а при температурах 1100 – 1300 ° С здатний безпосередньо з’єднуватися з азотом з утворенням нітриду Si3N4. Кремній добре розчинний у багатьох розплавлених металах (Аl, Ga, Sn, Аu, Ag і ін.). З низкою металів (Сr, Mo, Fe, Сu, Mg та ін.) Він утворює стійкі хімічні сполуки – силіциди. Кремній має порівняно високу температуру плавлення і в розплавленому стані відрізняється високою хімічною активністю, тому виникають великі труднощі з підбором тигельного матеріалу при вирощуванні монокристалів. Найбільш чисті матеріали (кварц і графіт), з яких зазвичай виготовляють човники і тиглі, при високих температурах взаємодіють з кремнієм. В результаті реакції кремнію з вуглецем утворюється карбід кремнію SiC – дуже стійке хімічна сполука з напівпровідниковими властивостями.
Поведінка домішок в кремнії підпорядковується, в основному, тим самим закономірностям, що і в Німеччині. Атоми елементів III і V груп Періодичної системи, будучи відповідно акцепторами і донорами, створюють дрібні рівні в забороненій зоні. Однак через меншу діелектричної проникності і більшої ефективної маси носіїв заряду енергія іонізації дрібних донорів і акцепторів в кремнії істотно більше, ніж в Німеччині, і для більшості домішок становить близько 0,05 еВ. Проте, і в цьому випадку кімнатна температура відповідає області виснаження домішок.
На відміну від германію, основна очищення кремнію від домішок здійснюється хімічними методами, які будуть розглянуті в юніте 2.
Епітаксия кремнію. У планарной технології кремнієвих приладів та інтегральних мікросхем важливу роль відіграють процеси епітаксіального осадження тонких шарів. Термін епітаксії означає орієнтоване нарощування одного кристалічної речовини на поверхні іншої кристала, службовця підкладкою. Найбільш поширений варіант промислової технології отримання кремнієвих епітаксійних шарів базується на процесі водневого відновлення тетрахлориду кремнію відповідно до реакції:
Реакція протікає в кварцових реакторах або температурах близько 1200 ° С. Підкладками служать монокристалічні пластини кремнію, що вирізаються з злитків і піддаються механічної та хімічної полірування. Підкладки розміщуються на графітової підставці, що нагрівається струмами високої частоти. Перед початком осадження підкладки піддаються газовому травленню безпосередньо в реакторі шляхом додавання парів НС1 в потік газоносителя. Травлення, те, що відбувається по оборотної реакції (2.1), дозволяє отримати чисту неокислену поверхню напівпровідника. Швидкість зростання регулюється співвідношенням газових потоків реагентів і температурою. В оптимальних режимах вона становить 15-20 нм / с. На практиці використовують шари товщиною від 2 до 20 мкм. Легування шарів здійснюють з парів з’єднань, що містять домішкові елементи (наприклад, РСl3, ВВr3, AsH3 і т.п.).
Відносно невисокі робочі температури і малі швидкості кристалізації зумовлюють високу чистоту і структурну досконалість загрожених епітаксійних шарів. Епітаксиальні вирощування структур з р -n-переходу набуло широкого поширення для ізоляції елементів інтегральних мікросхем областю об’ємного заряду, протяжність якої зростає при подачі зворотного зміщення на р-п-перехід.
У ряді випадків при виготовленні інтегральних мікросхем епітаксіальні шари кремнію осаджують на монокристалічні діелектричні підкладки. Як матеріал таких підкладок використовують різні речовини: сапфір (Аl2О3), шпінель (MgOAl2O3), окис берилію (ВЕО), кварц (SiO2) і ін. Епітаксия кремнію на діелектричних підкладках відкриває можливості створення інтегральних мікросхем з практично ідеальної ізоляцією елементів.
Поверхня кремнію. Поверхня напівпровідника, не захищена належним чином від зовнішніх впливів, зазвичай має нестабільні властивості. Адсорбція різних домішок на поверхні супроводжується утворенням додаткових енергетичних рівнів в забороненій зоні напівпровідника. Перерозподіл носіїв заряду між об’ємними і поверхневими станами може істотно вплинути на електричні властивості приповерхностной області (аж до утворення шару з електропровідністю протилежного типу). Поверхня кремнію після будь-якого очищення при нетривалому контакті з повітрям покривається плівкою оксиду, товщина якого коливається в межах 1-5 нм. Освіта тонкої окисної плівки ще більш ускладнює картину енергетичних рівнів, оскільки поверхневі стани можуть перебувати не тільки в напівпровіднику, а й в оксиді. У багатьох випадках поверхневі явища надають на характеристики приладів більш сильний вплив, ніж фізичні властивості обсягу напівпровідника. Це обумовлює застосування різних пасивуючих покриттів, що захищають поверхню напівпровідника і сформовані в ньому p -n-переходу від впливу навколишнього середовища. У кремнієвих приладах як фізична хімія покриття найбільш широко використовуються плівки SiO2. Для надійного захисту поверхні напівпровідника потрібні досить товсті окисні шари, одержувані спеціальним вирощуванням. Одночасно такі шари виконують функції маскує покриття при виготовленні планарних транзисторів і інтегральних мікросхем методами фотолітографії і виборчої дифузії домішок.
Найбільш часто окисні плівки на поверхні кремнію вирощують методом термічного окислення. Процес окислення проводять при температурі 1100 – 1300 ° С в атмосфері чистого кисню або парів води. Шари, одержувані термічним окисленням, характеризуються стеклообразном станом і за своїми властивостями дуже близькі до плавленого кварцу. Вони легко піддаються травленню в водних розчинах плавикової кислоти.
Шар термічного оксиду має здатність захищати напівпровідник від дифузійного проникнення із зовнішнього середовища ряду електрично активних домішок. Маскують властивості оксиду SiO2 використовуються при проведенні процесів локальної дифузії домішок в задану область монокристаллической пластини кремнію через спеціальні вікна, розкриті в шарі оксиду. Якщо домішки порівняно вільно дифундують через шар SiO2, то по відношенню до цих домішок оксид кремнію буде володіти поганий маскує здатністю. З простих акцепторів тільки бор володіє відносно малим коефіцієнтом дифузії в оксиді. З цим пов’язано практично виняткове використання бору при створенні областей p-типу в кремнієвих планарних приладах. Галій дифундує в окисле приблизно в 400 разів швидше, ніж в кремнії. Ще швидше проникає крізь SiO2 алюміній. Прості донори (фосфор, миш’як, сурма) повільно дифундують через SiO2, і окисел може ефективно маскувати кремній від проникнення цих домішок. Найбільш широко в планарной технології використовується фосфор. Це пояснюється тим, що він має в кремнії більш високий коефіцієнт дифузії, ніж миш’як і сурма, і більш високу, ніж у сурми, граничну розчинність.
Ще кращими захисними і діелектричними властивостями володіють плівки нітриду кремнію Si3N4. Навіть дуже тонкі шари нітриду кремнію, товщиною близько 0,1 мкм, при температурах 1100 – 1200 ° С непроникні для більшості донорних і акцепторних домішок, використовуваних при дифузійному легуванні кремнію. Придатні для практичного використання шари Si3N4 найчастіше беруть в облогу за допомогою реакції азотування силана аміаком при температурах 700-1100 ° С:
Найбільш простий метод отримання нітриду шляхом безпосередньої реакції азоту з кремнієм, на відміну від термічного окислення, не знайшов практичного застосування через дуже низьку швидкість реакції нітрування і високих робочих температур.
Для використання в технології планарних приладів і інтегральних мікросхем бажано отримувати аморфні шари, так як це сприяє зменшенню механічних напружень на межі розділу з підкладкою і знижує ймовірність появи дефектів типу щілин і тріщин, що утворюються на кордонах розділу між зернами в шарі, що має кристалічну структуру. При отриманні нітриду по реакції (2.2) шари завжди аморфні, якщо температура кремнієвої підкладки не перевищує 900 ° С.
Полікристалічний кремній. При виготовленні великих інтегральних мікросхем все більшого поширення набуває метод, заснований на використанні полікристалічного кремнію. Особливість цього методу полягає в тому, що на поверхню кремнієвих пластин, покритих діелектричної плівкою SiO2, осідає шар полікристалічного кремнію, який може виконувати функції резистора, межсоединений, а також контактних областей до емітера і колектора транзистора. Найчастіше осадження проводять за способом термічного розкладання силану SiH4. Силанового спосіб дозволяє отримати щільну дрібнозернисту структуру шару при відносно невисоких температурах (700-1000 ° С).
Високоомний полікристалічний кремній в поєднанні з окисним шаром з SiO2 використовується для створення надійної діелектричної ізоляції між елементами інтегральних мікросхем. У структурі, показаній на рис. 9, окремі області монокристалічного кремнію вкраплені в полікристалічну основу і відокремлені один від одного плівкою оксиду. Подібні планарниє структури формують на монокристаллической підкладці (рис. 9 а), яку згодом видаляють шляхом сошлифовки.
Мал. 9. Ізоляція елементів інтегральної мікросхеми за допомогою полікристалічного кремнію: 1 – вихідна монокристалічна підкладка; 2 – полікристалічний шар
Для створення струмопровідних плівкових шин і плівкових резисторів використовують леговані шари полікремнію з питомою поверхневим опором Rсл = 20 ¸ 60 Ом. Легування шарів здійснюють або одночасно з їх осадженням, або в процесі подальшої дифузії. На відміну від монокристалів кремнію, полікристалічні шари в нормальних умовах характеризуються негативним температурним коефіцієнтом питомої опору. При виготовленні великих інтегральних мікросхем межсоединения з полікристалічного кремнію забезпечують ряд технологічних переваг в порівнянні з металізацією поверхні алюмінієм. Їх реалізація дозволяє різко підвищити щільність елементів і швидкодію великих інтегральних схем.
Застосування кремнію. Кремній є базовим матеріалом при виготовленні планарних транзисторів і інтегральних мікросхем. Освоєння планарной технології кремнієвих приладів дозволило зробити якісний ривок в напівпровідниковому виробництві. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми, що відрізняються дуже малими розмірами і складною конфігурацією активних областей, знайшли особливо широке застосування в приймально-підсилювальної апаратури та обчислювальної техніки.
Незважаючи на інтенсивний розвиток інтегральної мікроелектроніки, в загальному обсязі випуску напівпровідникових виробів значну частку складають кремнієві дискретні прилади. З кремнію виготовляють випрямні, імпульсні і СВЧ-діоди, низькочастотні і високочастотні, потужні і малопотужні біполярні транзистори, польові транзистори і прилади із зарядним зв’язком. Робочі частоти планарних транзисторів досягають 10 ГГц.
Кремнієві випрямні площинні діоди можуть витримувати зворотні напруги до 1500 В і пропускати струм в прямому напрямі до 1500 А, істотно перевершуючи за цими параметрами германієві діоди.
З кремнію виготовляють більшість стабилитронов і тиристорів. Кремнієві стабілітрони в залежності від ступеня легування матеріалу мають напругу стабілізації від 3 до 400 В.
Широке застосування в техніці знайшли кремнієві фоточутливі прилади, особливо фотодіоди, що відрізняються високою швидкодією. Спектр фоточутливості кремнієвих фотодетекторов (0,3-1,1 мкм) добре узгоджується зі спектром випромінювання багатьох напівпровідникових джерел світла. Кремнієві фотоелементи, службовці для перетворення сонячної енергії в електричну, отримали назву сонячних батарей. Вони використовуються в системах енергопостачання космічних апаратів. Коефіцієнт їх корисної дії в більшості випадків становить 10-12%.
Подібно германію, кремній використовується для виготовлення детекторів ядерних випромінювань, датчиків Холла і тензодатчиков. В останніх використовується сильна залежність питомої опору від механічних деформацій.
Завдяки тому, що кремній має більш широку заборонену зону, ніж германій, кремнієві прилади можуть працювати при більш високих температурах, ніж германієві. Верхній температурний межа роботи кремнієвих приладів досягає 180-200 ° С.