Как сделать поликремний
Обновлено: 07.07.2024
1. Технология поликристаллического кремния. Его применение.
3. Ключевые свойства
Тпл = 1412°C
Теплопроводность: 150
Вт/м*к
Ширина ЗЗ: 1,14 эВ
Прозрачен в ИК
области, n=3,5
nе=1500 cм2/В*с
nh=480 cм2/В*с
Необходимо получать особо чистый материал
4. Технология получения поликристаллического кремния
5. Сименс-процесс
3. Хлорирование: трихлорсилан обычно получают путем
гидрохлорирования кремния: взаимодействием
технического кремния с хлористым водородом или со
смесью газов.
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
4. Дистилляция: очистка ТХС от примесей (бор, фосфор,
углерод) производится методом ректификации
(разделения) и перевода в нелетучие или комплексные
соединения.
5. Восстановление: поликристаллический кремний
получают путем осаждения и кристаллизации поликремния
из различных газообразных силанов на нагретых стержнях.
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
6. Рецикл: Выделяющийся при этом водород можно
использовать многократно.
6. Общая ТХС
7. Применение поликремния
8. Солнечные батареи
Солнечные элементы (солнечные преобразователи)
относятся к классу полупроводниковых фотоэлектрических
приборов. Конструкции, образованные из многих элементов,
электрически связанных между собой, называются
солнечными батареями.
9. Изготовление солнечного элемента
Отдельно взятый
солнечный элемент (СЭ)
представляет собой
тонкую пластину
полупроводникового
материала (кремния)
площадью несколько
см2.
В процессе изготовления СЭ в эту пластину методом диффузии из
паровой фазы вводят легирующую примесь: фосфор (в пластину pтипа) или бор (в пластину n-типа). Диффузию фосфора проводят
при Т = 1100–1200 К в течение короткого времени (нескольких
минут), чтобы образующийся p-n переход залегал на малой глубине
(около 1 мкм). Следующей операцией является нанесение
электрических контактов. В заключение на лицевую поверхность СЭ
напыляют тонкую просветляющую плёнку монооксида кремния.
10. Основные принципы работы солнечных батарей
Когда СЭ освещается,
поглощенные фотоны генерируют
неравновесные электрондырочные пары. Электроны,
генерируемые в p-слое вблизи pn-перехода, подходят к p-nпереходу и существующим в нем
электрическим полем выносятся
в n-область.
Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично
переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает
дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный.
Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между pи n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение
(рис.б).
11. Проблемы СЭ
Кремниевый СЭ при Т=0 К и
интенсивном облучении теоретически
должен генерировать ЭДС равную
разности уровней Ферми в n- и робластях. Поскольку уровни Ферми
находятся вблизи краев
соответствующих разрешённых зон
(валентной зоны и зоны проводимости),
ЭДС Еg.
Проблемы:
Величина
Теор.
Реал.
ЭДС
1.12В
0.5В
Iкз
30 мА/см2
35 мА/см2
КПД
23%
14-18%
12. Способы решения проблем
Для питания аппаратуры солнечные
элементы объединяют в батареи.
Если СЭ не обеспечивает ток нужной
величины, то СЭ соединяют
параллельно. При этом токи
отдельных СЭ суммируются.
При последовательном соединении
СЭ суммируются даваемые ими
напряжения.
Поскольку в земных условиях в разное время суток и при разной погоде
радиация солнца может сильно изменяться, для постоянства
напряжения в системах питания от солнечных батарей применяют
специальные стабилизирующие устройства.
13. Выводы
Наиболее широкое применение в полупроводниковом
приборостроении находят поликристаллические слои
кремния:
Эти слои используют для таких элементов
интегральных схем, как резисторы, диоды, полевые и
биполярные транзисторы.
Высокоомные поликристаллические слои кремния
используют для изоляции активных элементов
интегральных схем.
Поликристаллические тонкие пленки также
перспективны для солнечной энергетики. Слои из
поликристаллических полупроводниковых
материалов применяются при создании солнечных
батарей наземного применения.
Более 90% мирового рынка поликристаллического кремния контролируют компании США, Японии, Германии и Италии.
В настоящее время в мире существует дефицит ПКК, в связи с чем в ряде стран приняты программы по развитию кремниевого производства.
Ранее в СССР производилось до 12% мирового поликристаллического кремния, основные производственные мощности располагались в Украине и Киргизии.
Среди российских производителей поликристаллического кремния можно перечислить:
В настоящее время в России монокристаллический кремний на предприятиях вырабатывается из высокочистого зарубежного сырья, поэтому вопрос развития производства поликристаллического кремния остается актуальным.
Получение чистого и сверхчистого кремния требует предварительного синтеза чистейших исходных соединений кремния (SiCl4, SiHCl3, SiH4), из которых кремний извлекают путем восстановления или термического разложения.
Традиционно для получения поликристаллического кремния используется технология “Siemens C”, на долю которой приходится основная часть (>70%) мирового производства поликристаллического кремния.
Из технического кремния хлорированием синтезируют трихлорсилан (ТХС), который очищается путём многостадийной ректификации от побочных продуктов синтеза трихлорсилана - Н2, НСl, тетрахлорида кремния (ТХК) и направляется в реактор водородного восстановления, где происходит процесс осаждения кремния на стержни-основы. Выделенные при очистке синтезированного ТХС побочные продукты возвращаются обратно в цикл производства ПКК. Хлористый водород возвращается на синтез ТХС, синтезированный ТХК и часть водорода направляются на конверсию ТХК (преобразование ТХК в ТХС), остальной водород подается на водородное восстановление кремния.
В процессе восстановления кремния в реакторах помимо продукта – чистого поликристаллического кремния – образуются побочные продукты – тетрахлорид кремния и хлористый водород, которые в смеси с непрореагировавшими водородом и трихлорсиланом, а также продуктами конверсии ТХК направляются на установки, где происходит отделение Н2, НСl, а также разделение оборотных хлорсиланов на ТХС и ТХК, возвращаемых в технологический процесс. Оборотный трихлорсилан с водородом возвращаются в реакторы восстановления кремния, хлористый водород – на синтез ТХС, а оборотный тетрахлорид кремния направляется в конверторы для преобразования в трихлорсилан.
Пластины для массового производства солнечных элементов в основном изготавливаются из монокристаллического и поликристаллического кремния. Первый получают вытягиванием медленно вращающейся заготовки из расплава по методу Чохральского. Эта сложная и энергозатратная технология позволяет иметь практически бездефектные подложки, пригодные для производства полупроводниковых микросхем и фотоэлектрических модулей с высоким КПД.
МОРЕ ЭНЕРГИИ
Высококачественный поликристаллический кремний традиционно производят осаждением из газовой фазы по методу компании Siemens. В этом процессе слитки поликремния получают водородным восстановлением трихлорсилана при высокой температуре: поликремний осаждается на стержнях-затравках в куполообразном реакторе, охлаждаемом снаружи. Это тоже весьма сложное и энергозатратное производство - на получение килограмма поликристаллического кремния уходит не менее 100 кВт·ч электроэнергии. Да к тому же ещё и потенциально опасное производство, связанное с применением ядовитых газов. Однако именно переводом в газовую фазу и обратно обеспечивается сверхвысокая чистота материала - 99,9999%. Это значит, что на каждый миллион атомов кремния приходится лишь один атом постороннего элемента.
Сырьём для Siemens-процесса служит технический (металлургический) кремний, который широко используется, например, в производстве алюминиевых сплавов для двигателей внутреннего сгорания. Чтобы его выплавить, диоксид кремния (кремнезём, кварцин, халцедоны и другие минералы) восстанавливают с помощью угля или кокса в большой дуговой электрической печи при температуре около 1800 °C. Такая печь разогревается целую неделю, после чего работает непрерывно. Производство технического кремния - тоже очень энергозатратный процесс.
В поликристаллических пластинах на границах кристаллитов сосредоточены дефекты, где происходят потери энергии, из-за чего эффективность фотоэлектрических элементов падает. Понятно, что в солнечной энергетике лучше использовать монокристаллический кремний, выращенный по методу Чохральского. Но сырьём для его производства служит именно высококачественный поликристаллический кремний. Три производственных передела, необходимых для получения кремниевых монокристаллов, в сумме требуют просто огромных энергозатрат.
СДЕЛАТЬ БЫСТРЕЕ И ДЕШЕВЛЕ
Учёные постоянно ищут и пробуют новые методы производства высококачественного кремния и уже добились в этом значимых результатов. Например, чтобы избежать применения Siemens-процесса, разрабатываются разнообразные способы химической очистки технического кремния от углерода, остающегося после его восстановления из кремнезёма с помощью кокса и угля. При этом через расплав кремния продуваются различные газовые реагенты, связывающие примеси.
В качестве альтернативы технологии Siemens создан метод получения поликристаллического кремния в реакторе кипящего слоя. Частички кристаллической затравки, поддерживаемые во взвешенном состоянии газовым потоком, постепенно обрастают со всех сторон свежим кремнием. Крупинки, достигшие требуемого размера, непрерывно выводятся из зоны реакции. Так образуется тёмно-серая кремниевая крошка. После её расплавления и застывания в ванне получается поликристаллическая заготовка, готовая к разрезке на пластины.
И хотя при производстве кремния в кипящем слое используются те же химические реакции, что и в Siemens-процессе, оно оказывается гораздо выгоднее благодаря намного большей поверхности осаждения и соответственно лучшему расходованию реакционной смеси. Такой метод позволяет сэкономить время и энергию и, следовательно, снизить себестоимость продукции.
Взамен методу Чокральского предложена технология перекристаллизации поликристаллической заготовки в монокристаллическую методом зонного расплавления в среде инертного газа. Кремниевый стержень, подвешенный вертикально, разогревается снизу индукционной катушкой до температуры плавления. Приведённый в контакт с холодным затравочным кристаллом, материал стержня принимает его ориентацию и также снизу начинает кристаллизоваться. Тем временем катушка медленно поднимается вверх, за ней следует и зона расплавления. Сверху от нагревателя поликристаллический кремний постоянно превращается в расплав, а снизу из этого расплава постоянно формируется монокристаллический слиток. Размеры, скорость движения и мощность нагревателя подобраны так, чтобы материал успевал прогреваться, но не вытекал из зоны расплава.
Диаметр стержня, обрабатываемого таким образом, ограничен силой поверхностного натяжения расплава и обычно не превышает 150 мм. Для легирования кремния с целью придания ему нужной электронной проводимости в реактор вводят такие газы, как фосфин или диборан. Кстати, этот метод помогает не только перекристаллизовать, но и дополнительно очистить заготовку от примесей - они в основном остаются в расплаве и концентрируются на конце слитка. Кроме того, поскольку расплав не входит в контакт с ванной (как в методе Чохральского), он не загрязняется посторонними веществами.
ОБОЙДЁМСЯ БЕЗ ОПИЛОК
Кремниевые заготовки (моно- и поликристаллические) распиливают на пластины с помощью тончайших алмазных проволок. При этом не менее 33% полупроводникового материала превращается в пыль: пластины в солнечных элементах могут иметь толщину от 150 до 200 мкм, а ширина распила обычно равна 100 мкм. Чтобы исключить операцию разделения заготовки на пластины, изобретены различные методы вытягивания кремниевой ленты из расплава.
Сквозь ванну с расплавом пропускается натянутая лента из углеродного материала, выдерживающего нагрев до высоких температур, с кремниевыми затравками для правильной ориентации кристалла. И когда углеродная лента медленно выходит наверх, на ней с обеих сторон оказывается кремниевое покрытие, которое нужно отделить. Полученные таким образом заготовки разрезают на прямоугольные пластины. Их поверхность обрабатывают для подготовки к формированию полупроводниковой структуры, контактных площадок и рельефа, снижающего световые отражения. По основным электронным параметрам кремниевая лента пока уступает пластинам, вырезанным из монокристаллических заготовок, но зато обходится существенно дешевле.
Некоторые компании надеются наладить непрерывное производство кремниевой ленты с тем, чтобы заодно экономить на попеременных операциях нагревания и охлаждения ванны с расплавом.
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.
Процессор? Песок? А какие у вас с этим словом ассоциации? А может Кремниевая долина?
Как бы там ни было, с кремнием мы сталкиваемся каждый день и если вам интересно узнать что такое Si и с чем его едят, прошу под кат.
Введение
Silicium
Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086.
В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
Температура плавления 1688 K
Порошковый Si
Историческая справка
Кремний очень распространен в природе в составе обыкновенного песка
Распространение Кремния в природе
По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе). В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире. Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей. 75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.
Физические свойства Кремния
Думаю тут останавливаться особо не стоит, все физические свойства имеются в свободном доступе, а я же перечислю самые основные.
Температура кипения 2600 °С
Кремний прозрачен для длинноволновых ИК-лучей
Диэлектрическая проницаемость 11,7
Твердость Кремния по Моосу 7,0
Хотелось бы сказать, что кремний хрупкий материал, заметная пластическая деформация начинается при температуре выше 800°С.
Кремний — полупроводник, именно поэтому он находит большое применение. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от примесей.
Химические свойства Кремния
Тут много конечно можно сказать, но остановлюсь на самом интересном. В соединениях Si (аналогично углероду) 4-валентен.
На воздухе кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO2.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот, легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода.
Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов — силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si3N4, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, а так же для производства огнеупоров. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB3, SiB6, SiB12).
Получение Кремния
Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.
Применение Кремния
Специально легированный кремний широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, а так же много всякой всячины).
Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике.
Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. В металлургии Si
используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления).
Кремний является составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов.
Обычно Кремний придает сплавам повышенную устойчивость к коррозии, улучшает их литейные свойства и повышает механическую прочность; однако при большем его содержании Кремний может вызвать хрупкость.
Наибольшее значение имеют железные, медные и алюминиевые сплавы, содержащие кремний.
Кремнезем перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.
Сверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (например процессор твоего компьютера) и однокристальных микросхем.
Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.
Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.
Сверхчистый кремний и продукт его производства
Кремний в организме
Кремний в организме находится в виде различных соединений, участвующих главным образом в образовании твердых скелетных частей и тканей. Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях — известковые илы с низким содержанием кремния. Среди наземных растений много кремния накапливают злаки, осоки, пальмы, хвощи. У позвоночных животных содержание оксида кремния (IV) в зольных веществах 0,1-0,5%. В наибольших количествах кремний обнаружен в плотной соединительной ткани, почках, поджелудочной железе. В суточном рационе человека содержится до 1 г кремния. При высоком содержании в воздухе пыли оксида кремния (IV) она попадает в легкие человека и вызывает заболевание — силикоз.
Заключение
Ну вот и все, если вы дочитали до конца и немного вникли, то вы на шаг ближе к успеху. Надеюсь писал я не зря и пост понравился хоть кому-то. Спасибо за внимание.
Читайте также: