застосування кремнію

ЗАСТОСУВАННЯ КРЕМНІЮ

Таблиця 15.8. Деякі застосування силікатів

Революція в мікроелектроніці

В останні два-три десятиліття кремній придбав виключно важливе значення як напівпровідниковий матеріал, який використовується для виготовлення мікроелектронних пристроїв, які отримали назву «мікросхеми».

Напівпровідник - це речовина, електричний опір якого має проміжне значення між тими, які властиві електричним ізоляторів (діелектриків) і провідникам (табл. 15.9).

У напівпровідники нерідко навмисне вводять домішки, легіруя їх контрольованими кількостями домішкових речовин. Легування як би зменшує зазор між зоною провідності і валентною зоною напівпровідника (див. Розд. 2.1), а отже, зменшує його опір. Напівпровідник-типу (негативного типу) виходить при легуванні чистого кремнію або германію будь-яким елементом

Таблиця 15.9. Напівпровідникові властивості кремнію

Мал. 15.9. Легований кремній, а - схематичне зображення атомів Al, Si з їх зовнішніми електронами; б - напівпровідник: кожна пара електронів утворює ковалентний зв'язок; в - домішковий напівпровідник-типу: наявність в кристалічній решітці кремнію примесного атома елемента V групи, наприклад фосфору, привносить в неї надлишковий електрон, і це зменшує електроопір кремнію; г - домішковий напівпровідник p-типу: наявність в кристалічній решітці кремнію примесного атома елемента III групи, наприклад алюмінію, призводить до появи в решітці електронної «дірки».

V групи, наприклад фосфором. Оскільки атом фосфору має у зовнішній оболонці п'ять електронів, присутність атомів фосфору в кристалічній решітці кремнію призводить до появи надлишкових електронів, а отже, до виникнення ефективного негативного заряду (рис. 15.9).

Напівпровідник p-типу (позитивного типу) має ефективний позитивний заряд, обумовлений наявністю в його кристалічній решітці домішкових атомів, що належать якому-небудь елементу III групи, наприклад алюмінію. Кожен атом алюмінію створює в решітці кремнію електронну дірку, т. Е. Позитивний заряд.

Напівпровідниковий діод виходить на стику двох напівпровідникових електродів, один з яких належить до n-типу, а інший - p-типу (рис. 15.10). Електрони, що течуть через електрод p-типу, зупиняються на стику (переході) між двома електродами, який називається -переходить. Електрони, що течуть у зворотному

Мал. 15.10. Напівпровідниковий діод: надлишкові електрони з напівпровідникового електрода-типу перетікають через -Перехід, щоб заповнити «дірки» в напівпровідниковому електроді-типу.

Мал. 15.11. Транзистори, а - транзистор-типу; б - транзистор-типу.

напрямку, проходять через цей перехід, оскільки вони надходять з решітки з надлишковими електронами в решітку з дефіцитом електронів. Той же самий потік електричного заряду може розглядатися як протилежно спрямований рух електронних дірок, або позитивного заряду, з електрода-типу в електрод-типу.

Напівпровідникові діоди з кремнію використовуються в якості випрямлячів змінного струму, які перетворюють його в постійний струм. Керований кремнієвий випрямляч складається з електродів-типу і-типу, а також третього електрода, який грає роль діодного клапана. Такий випрямляч перетворює змінний струм в постійний тільки за умови, що до діодному клапану докладено невелика напруга.

Транзистор - це трьохелектродну напівпровідниковий пристрій, в якому між двома напівпровідниковими електродами-типу (або-типу) знаходиться тонкий шар напівпровідника-типу (або-типу) (рис. 15.11). Такий пристрій дозволяє контролювати перебіг електричного струму великої сили, прикладаючи до нього невелика напруга. Транзистор-типу має доречнийпровідністю, а транзистор-типу - електронну провідність.

До початку все транзистори поміщалися в індивідуальну металеву або пластмасову оболонку. Згодом їх замінили інтегральні схеми. В даний час один крихітний кремнієвий елемент в програмному кишеньковому калькуляторі може містити понад 30 000 транзисторів, з'єднаних в єдину інтегральну схему.

Силікатне скло утворюється при застиганні розплавлених силікатів. Натрієве скло складається з суміші силікату кальцію і силікату натрію Про його виготовленні згадувалося в попередньому розділі. Натрієве скло використовується для виготовлення віконного скла і різних сортів листового скла.

Боросилікатне скло містить приблизно оксиду бору а також невеликі кількості оксидів натрію і алюмінію. Боросилікатне скло витримує температури до і має велику стійкість до впливу хімічних речовин, наприклад лугів. Найбільш поширеним сортом боросилікатного скла є пирекс. Боросилікатне скло використовується для виготовлення кухонного начиння і лабораторного посуду.

Свинцеве скло має високий показник заломлення і використовується для виготовлення виробів з кришталевого скла. Типове свинцеве скло містить близько 8% оксиду гарне кришталеве скло містить більше свинцю.

Скловолокно отримують різними способами, наприклад капая розплавленим склом на обертовий диск з вогнетривкого матеріалу. Скло розлітається від диска, утворюючи тонкі нитки. Скловолокно використовується для виготовлення теплоізоляційних панелей в автомобілебудуванні, а також деталей корпусів приладів в авіабудуванні.

Для додання забарвлення склу в нього в процесі виготовлення вводять оксиди різних d-металів. Кобальт надає склу синю або рожеве забарвлення залежно від кількості присутніх в склі основних оксидів, таких як. Коричнева або зелене забарвлення недорогих сортів скла, використовуваних для виготовлення винних і пивних пляшок, обумовлена ​​сполуками заліза, які присутні в піску, що використовується для виготовлення такого скла.

Оптичні волокна виготовляють з кварцового скла. Кварцові скло отримують, розплавляючи кварц. Кварцові скло має прекрасну оптичної прозорістю. Однак кварцове скло, що використовується для отримання оптичного волокна, має бути надзвичайно чистим. Кількість домішок в ньому, наприклад заліза і міді, повинен бути знижений до такого рівня, щоб воно не перевищувало однієї частини на 10 °. З цієї причини кварцове скло, що використовується для виготовлення оптичного волокна, отримують безпосередньо по реакції кисню з хлоридом проведеної в газовій фазі. Хлорид може бути отриманий з надзвичайно високою чистотою, яка характеризується як «електронна ступінь чистоти».

Оптичне волокно має серцевину, яка служить для пропускання світла, і оболонку з меншим показником заломлення, яка перешкоджає втратам світла через бічні сторони. Волокно, що має товщину людської волосини, оточується захисною оболонкою кремнію або органічного полімерного матеріалу.

Рідке скло є водним розчином силікату натрію Його отримують, сплавляючи кремнезем з якою-небудь лугом, наприклад гідроксидом натрію, або з карбонатом натрію. Силікат натрію є сильною основою. При його подкислении утворюється гель. Він являє собою полімерну кислоту, якої приписується наступна структура:

При нагріванні цього матеріалу відбувається його дегідратація, і він утворює силікагель. Силікагель має дуже розвинену поверхню. Він використовується в якості осушувача, а також як інертний носій для деяких тонкоподрібнених каталізаторів.

Так називаються кремнийорганические полімерні сполуки, скелет яких утворюють чергуються атоми кремнію і кисню, пов'язані між собою. До атомам кремнію приєднані алкільні або арильні групи (див. Гл. 17). Як приклад наведемо таку структуру:

Силікони являють собою маслянисті, жирні, смолисті або каучуковідние речовини. Їх отримують гідролізом хлоросіланов, наприклад діметілхлоросілана алкіл- або арілхлоросілани отримують за допомогою реактивів Гриньяра (див. Розд. 19.1) або пропусканням пари алкіл- або арілгалогенідов над гранулами кремнію в присутності мідного каталізатора при температурі близько 300 ° С:

Силікони термічно стійкі і взаємодіють з більшістю хімічних речовин. Вони володіють хорошими водовідштовхувальними властивостями і використовуються як вологозахисні матеріали. Крім того, їх використовують в якості технічних масел, мастильних речовин і ізоляторів, а також масляних лаків, фарб і політур.