ПРИМЕНЕНИЯ КРЕМНИЯ

Кремний и его соединения подобно углероду и его соединениям широко применяются в разных областях. Кремний используется для изготовления микроэлектронных устройств. Кремнезем используется в производстве стекла и цемента. Разнообразны применения силикатов (табл. 15.8). Во всех этих примерах используются силикаты натрия. Наконец, силиконы используются для получения синтетических каучуков, политур и материалов для изготовления защитных покрытий. Теперь мы несколько подробнее остановимся на трех из этих применений.

Таблица 15.8. Некоторые применения силикатов

Революция в микроэлектронике

В последние два-три десятилетия кремний приобрел исключительно важное значение как полупроводниковый материал, используемый для изготовления микроэлектронных устройств, получивших название «микросхемы».

Полупроводник - это вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между теми, которые свойственны электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам (табл. 15.9).

В полупроводники нередко умышленно вводят примеси, легируя их контролируемыми количествами примесных веществ. Легирование как бы уменьшает зазор между зоной проводимости и валентной зоной полупроводника (см. разд. 2.1), а следовательно, уменьшает его сопротивление. Полупроводник -типа (отрицательного типа) получается при легировании чистого кремния или германия каким-либо элементом

Таблица 15.9. Полупроводниковые свойства кремния

Рис. 15.9. Легированный кремний, а - схематическое изображение атомов Al, Si с их внешними электронами; б - полупроводник: каждая пара электронов образует ковалентную связь; в - примесный полупроводник -типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента V группы, например фосфора, привносит в нее избыточный электрон, и это уменьшает электросопротивление кремния; г - примесный полупроводник p-типа: наличие в кристаллической решетке кремния примесного атома элемента III группы, например алюминия, приводит к появлению в решетке электронной «дырки».

V группы, например фосфором. Поскольку атом фосфора имеет во внешней оболочке пять электронов, присутствие атомов фосфора в кристаллической решетке кремния приводит к появлению избыточных электронов, а следовательно, к возникновению эффективного отрицательного заряда (рис. 15.9).

Полупроводник p-типа (положительного типа) имеет эффективный положительный заряд, обусловленный наличием в его кристаллической решетке примесных атомов, принадлежащих какому-либо элементу III группы, например алюминию. Каждый атом алюминия создает в решетке кремния электронную дырку, т. е. положительный заряд.

Полупроводниковый диод получается на стыке двух полупроводниковых электродов, один из которых принадлежит к n-типу, а другой - p-типу (рис. 15.10). Электроны, текущие через электрод p-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя электродами, который называется -переходом. Электроны, текущие в обратном

Рис. 15.10. Полупроводниковый диод: избыточные электроны из полупроводникового электрода -типа перетекают через -переход, чтобы заполнить «дырки» в полупроводниковом электроде -типа.

Рис. 15.11. Транзисторы, а - транзистор -типа; б - транзистор -типа.

направлении, проходят через этот переход, поскольку они поступают из решетки с избыточными электронами в решетку с дефицитом электронов. Тот же самый поток электрического заряда может рассматриваться как противоположно направленное движение электронных дырок, или положительного заряда, из электрода -типа в электрод -типа.

Полупроводниковые диоды из кремния используются в качестве выпрямителей переменного тока, которые преобразуют его в постоянный ток. Управляемый кремниевый выпрямитель состоит из электродов -типа и -типа, а также третьего электрода, который играет роль диодного клапана. Такой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный только при условии, что к диодному клапану приложено небольшое напряжение.

Транзистор - это трехэлектродное полупроводниковое устройство, в котором между двумя полупроводниковыми электродами -типа (или -типа) находится тонкий слой полупроводника -типа (или -типа) (рис. 15.11). Такое устройство позволяет контролировать протекание электрического тока большой силы, прикладывая к нему небольшое напряжение. Транзистор -типа обладает дырочной проводимостью, а транзистор -типа — электронной проводимостью.

До начала все транзисторы помещались в индивидуальную металлическую либо пластмассовую оболочку. Впоследствии их заменили интегральные схемы. В настоящее время один крохотный кремниевый элемент в программном карманном калькуляторе может содержать свыше 30 000 транзисторов, соединенных в единую интегральную схему.

Стекло

Силикатное стекло образуется при застывании расплавленных силикатов. Натриевое стекло состоит из смеси силиката кальция и силиката натрия О его изготовлении упоминалось в предыдущей главе. Натриевое стекло используется для изготовления оконного стекла и различных сортов листового стекла.

Боросиликатное стекло содержит приблизительно оксида бора а также небольшие количества оксидов натрия и алюминия. Боросиликатное стекло выдерживает температуры до и обладает большой устойчивостью к воздействию химических веществ, например щелочей. Наиболее распространенным сортом боросиликатного стекла является пирекс. Боросиликатное стекло используется для изготовления кухонной утвари и лабораторной посуды.

Свинцовое стекло имеет высокий показатель преломления и используется для изготовления изделий из хрустального стекла. Типичное свинцовое стекло содержит около 8% оксида хорошее хрустальное стекло содержит больше свинца.

Стекловолокно получают разными способами, например капая расплавленным стеклом на вращающийся диск из огнеупорного материала. Стекло разлетается от диска, образуя тонкие нити. Стекловолокно используется для изготовления теплоизоляционных панелей в автомобилестроении, а также деталей корпусов приборов в авиастроении.

Для придания окраски стеклу в него в процессе изготовления вводят оксиды различных d-металлов. Кобальт придает стеклу синюю либо розовую окраску в зависимости от количества присутствующих в стекле основных оксидов, таких как . Коричневая или зеленая окраска недорогих сортов стекла, используемых для изготовления винных и пивных бутылок, обусловлена соединениями железа, которые присутствуют в песке, используемом для изготовления такого стекла.

Оптические волокна изготовляют из кварцевого стекла. Кварцевое стекло получают, расплавляя кварц. Кварцевое стекло обладает прекрасной оптической прозрачностью. Однако кварцевое стекло, используемое для получения оптического волокна, должно быть чрезвычайно чистым. Количество примесей в нем, например железа и меди, должно быть снижено до такого уровня, чтобы оно не превышало одной части на 10°. По этой причине кварцевое стекло, используемое для изготовления оптического волокна, получают непосредственно по реакции кислорода с хлоридом проводимой в газовой фазе. Хлорид может быть получен с чрезвычайно высокой чистотой, характеризуемой как «электронная степень чистоты».

Оптическое волокно имеет сердцевину, которая служит для пропускания света, и оболочку с меньшим показателем преломления, которая препятствует потерям света через боковые стороны. Волокно, имеющее толщину человеческого волоса, окружается защитной оболочкой кремния либо органического полимерного материала.

Оптические волокна используются для передачи телевизионных программ, телефонных разговоров, выходных данных компьютеров и других приборов. Согласно некоторым предсказаниям, оптические волокна постепенно вытеснят медные проволочные кабели, которые обычно используются для этих целей.

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката натрия Его получают, сплавляя кремнезем с какой-нибудь щелочью, например гидроксидом натрия, либо с карбонатом натрия. Силикат натрия является сильным основанием. При его подкислении образуется гель. Он представляет собой полимерную кислоту, которой приписывается следующая структура:

При нагревании этого материала происходит его дегидратация, и он образует силикагель. Силикагель имеет очень развитую поверхность. Он используется в качестве осушителя, а также как инертный носитель для некоторых тонкоизмельченных катализаторов.

Силиконы

Так называются кремнийорганические полимерные соединения, скелет которых образуют чередующиеся атомы кремния и кислорода, связанные между собой. К атомам кремния присоединены алкильные или арильные группы (см. гл. 17). В качестве примера приведем такую структуру:

Силиконы представляют собой маслянистые, жирные, смолистые либо каучуковидные вещества. Их получают гидролизом хлоросиланов, например диметилхлоросилана Алкил- или арилхлоросиланы получают с помощью реактивов Гриньяра (см. разд. 19.1) либо пропусканием паров алкил- или арилгалогенидов над гранулами кремния в присутствии медного катализатора при температуре порядка 300 °С:

Силиконы термически устойчивы и взаимодействуют с большинством химических веществ. Они обладают хорошими водоотталкивающими свойствами и используются как влагозащитные материалы. Кроме того, их используют в качестве технических масел, смазочных веществ и изоляторов, а также масляных лаков, красок и политур.