Първоначално изпратено от Pyramid
Разгледай мнение
Процесът на получаване и пречистване на кристалния силиций за полупроводници е сложен и изисква висока степен на чистота (над 99.9999%, наричан също "6N" чистота). Ето основните етапи:
1. Изходен материал: Силициев диоксид (SiO₂)
- Източник: Кварцов пясък, който е основната суровина за добив на силиций.
- Кварцовият пясък е много разпространен и съдържа висока концентрация на SiO₂.
2. Получаване на технически силиций
Техническият силиций е първоначалната суровина, от която започва процесът на пречистване.
- Процес на редукция:
- SiO₂ се нагрява в електродъгова пещ с въглерод (обикновено въглища или дървени въглища) при температури около 2000°C.
- Химичната реакция е: SiO2 + 2C → Si + 2CO
- Получава се технически силиций с чистота около 98-99%, който е подходящ за металургични приложения, но не и за полупроводници.
3. Пречистване на силиция
За да се използва в полупроводници, силицият трябва да се пречисти до много висока степен на чистота. 3.1. Метод на Siemens (Синтез на трихлорсилан):
- Реакция със солна киселина (HCl):
- Техническият силиций реагира с HCl при температура около 300°C.
- Получава се газ трихлорсилан (SiHCl₃) чрез реакцията: Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
- Трихлорсиланът съдържа примеси, които трябва да се отстранят.
- Дестилация:
- Трихлорсиланът се дестилира многократно, за да се отстранят примесите.
- Това позволява получаването на ултрачист трихлорсилан.
- Разлагане на трихлорсилана:
- Чистият трихлорсилан се разлага в присъствието на водород (H₂) при висока температура (~1000°C) върху нагряти силициеви пръти.
- Получава се поликристален силиций (т.нар. електронен силиций) чрез реакцията: SiHCl₃ + H2 → Si + 3HCl
4. Получаване на монокристален силиций
Поликристалният силиций се преобразува в монокристален чрез един от следните методи: 4.1. Метод на Чохралски (Czochralski process):
- Поликристалният силиций се разтапя в тигел при температура около 1420°C.
- Малко кристално "семе" от силиций се потапя в стопилката и бавно се издърпва, докато се върти.
- При издърпването стопилката се охлажда и формира монокристална пръчка (т.нар. ингот).
- Полученият кристал има изключително подредена структура.
- Поликристалният силиций се поставя в цилиндрична форма.
- Тясна зона се нагрява чрез индукция, докато се разтопи, и се движи бавно по цялата дължина на кристала.
- Примесите остават в разтопената зона и се изместват към единия край на цилиндъра.
- Получава се монокристален силиций с още по-висока чистота от метода на Чохралски.
5. Допинг (Контролирано добавяне на примеси):
- За да се направи силицият полупроводник, към него умишлено се добавят малки количества други елементи:
- Фосфор (P) или арсен (As) за N-тип полупроводник (излишък на електрони).
- Бор (B) за P-тип полупроводник (липса на електрони, "дупки").
- Допингът се извършва чрез въвеждане на тези елементи по време на процесите на кристализация.
6. Рязане и полиране:
- Монокристалният силиций (ингот) се реже на тънки пластини (т.нар. вафли) с дебелина около 150-200 микрометра.
- Пластините се полират до огледална гладкост, за да са готови за използване в производството на полупроводникови устройства.
Заключение:
Производството на кристален силиций за полупроводници изисква сложни етапи на химическа преработка, пречистване и контролирана кристализация. Това гарантира, че материалът е достатъчно чист и има необходимите електронни свойства за приложения като микропроцесори, соларни клетки и други електронни устройства.
От мене:
Получените тънки силициеви пластини имат идеална кристална решетка на практика без дефекти в нея и са изключително трошливи. Това важи както за монокристалния силиций, така и за поликристалния. Затова те не са подходящи за създаването на боя за лека кола.
Коментар