Кремний — полупроводник, а не металл¶

Кремний (Si, лат. Silicium, атомный номер 14) — химический элемент 14 группы периодической таблицы Менделеева, четвёртого периода. Несмотря на внешнее сходство с металлами (серебристо-серый блеск, твёрдость, полупрозрачность в тонких пластинках), кремний к металлам не относится: он является типичным неметаллом (полупроводником) и одним из наиболее распространённых элементов в земной коре — его содержание составляет около 27,7 % по массе.

¶Почему кремний путают с металлом

Внешний вид кремния действительно обманчив. Чистый кремний — твёрдое кристаллическое вещество с металлическим серебристо-серым блеском, которое при ударе раскалывается, а не деформируется, как металл. Его удельное сопротивление (около 2,3·10³ Ом·см при 20 °C) на много порядков выше, чем у металлов, но ниже, чем у настоящих диэлектриков — именно эта промежуточная электропроводность и определяет его как полупроводник.

Ключевые отличия от металлов:

При нагревании сопротивление металлов растёт, а кремния — падает: тепловая энергия переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости, увеличивая концентрацию носителей заряда. Это принципиально иное поведение, обусловленное ковалентной кристаллической решёткой типа алмаза.

¶Полупроводниковые свойства

Кремний — классический элемент-полупроводник. При 0 K он является диэлектриком, а при комнатной температуре ширина запрещённой зоны составляет 1,12 эВ. Этого достаточно, чтобы часть электронов переходила в зону проводимости, но недостаточно для металлической проводимости.

Легирование кремния примесями (фосфором, бором, мышьяком) позволяет управляемо изменять тип и концентрацию носителей заряда, что лежит в основе всей современной полупроводниковой электроники: транзисторов, диодов, интегральных схем, солнечных элементов.

¶Кремний в природе и получение

Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода. Он входит в состав большинства минералов: полевых шпатов, слюд, глины, кварца (SiO₂), а также силикатов и алюмосиликатов. Свободный кремний в природе не встречается — только в соединениях.

Промышленный кремний получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечях при 1500–2000 °C:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Такой кремний называют техническим (98–99 % чистоты). Для электроники требуется полупроводниковая чистота — 99,9999 % и выше (марка Si-0000). Её достигают последующим переплавлением (зонная плавка, метод Чохральского) и химическим очищением.

¶Применение

Основные направления использования кремния:

• Микроэлектроника — около 90 % всех полупроводниковых кристаллов (чипов) изготавливаются из кремния. Его кристаллы выращивают в виде цилиндрических слитков диаметром до 300 мм и распиливают на пластины (ваферы).
• Солнечные элементы — фотоэлектрические панели на основе монокристаллического и поликристаллического кремния составляют основу мирового рынка солнечных батарей.
• Сплавы — кремний легирует алюминий, магний и медные сплавы, повышая их прочность. Кремнистая бронза и силумины широко применяются в машиностроении.
• Силикаты и силиконы — стекло, керамика, цемент, кремнийорганические полимеры (силиконы) производятся на основе кремнезёма.
• Строительство — кремнезёмный песок (SiO₂) является сырьём для стекла и заполнителем бетона.

¶Краткая справка

¶История

Кремний был впервые выделен в чистом виде шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом в 1824 году нагреванием смеси фторсиликата калия с калием. Название элемента происходит от латинского silex — кремень. Массовое промышленное производство кремния началось в конце XIX века после разработки электропечей, а его роль как основного материала электроники определилась в 1950-х годах после создания первого кремниевого транзистора (Bell Labs, 1954) и интегральной схемы (1958–1959).

¶Источники

• Менделеев Д. И. Опыт системы элементов (1869–1871)
• Глинка Н. Л. Общая химия (издания различных лет)
• Ведение в физику полупроводников / под ред. А. Ф. Иоффе
• Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева (современные справочные данные)