Свойства германия и кремния. 
Методы электрофизической обработки

Министерство образования Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет заочного обучения Специальность ЭиОП Контрольная работа № 1

по дисциплине «Производственные технологии»

Вариант № 39

Студента гр.101 502

Макась М. А.

Минск 2014

Вариант 39

1. Элементарные полупроводники (германий, кремний и др.). Свойства, получение, применение. Эпитаксиальные структуры кремния

2. Электрофизическая обработка (электроэрозионная, лазерная, электронно-лучевая, плазменная).

3. Задача № 48. Пленочный конденсатор, диэлектрик которого имеет е = 3 теряет за 30 минут половину сообщенного ему заряда. Полагая, что утечка происходит только через пленку диэлектрика, определите его удельное сопротивление полупроводник германий электрофизическая обработка

1. Элементарные полупроводники (германий, кремний и др.). Свойства, получение, применение. Эпитаксиальные структуры кремния Полупроводники представляют особый класс веществ, которые по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Они обладают специфическими свойствами: при повышении температуры увеличивают электропроводимость; при температуре, близкой к абсолютному нулю, превращаются в диэлектрики; их свойства чувствительны к наличию примесей и ионизирующих излучений. Условно полупроводниковые материалы делят на элементарные и сложные.

Наиболее полно изучены и применяются в полупроводниковой технике германий и кремний — кристаллические вещества с решеткой типа алмаза. Химическая связь — ковалентная, имеет место sp3-гибридизация. Каждый атом Si (Ge) обладает четырьмя валентными электронами и образует с соседними атомами четыре равноценные валентные связи, которые расположены в виде тетраэдра.

Основные свойства германия и кремния

Германий — твёрдое вещество с металлическим блеском, имеющее серо-белый цвет. Хотя цвет германия — это понятие довольно относительное, здесь все зависит от обработки поверхности материала. Иногда он может быть серым как сталь, иногда серебристым, а иногда и вовсе черным. Внешне германий довольно близок к кремнию. Данные элементы не только похожи между собой, но и обладают во многом одинаковыми полупроводниковыми свойствами. Существенным их отличием является тот факт, что германий более чем в два раза тяжелее кремния.

Содержание германия в земной коре невелико, около 7 10−4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GeO2) — порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650−700 ?С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GeCl4 путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Метод получения германия из минерала, который использовал Винклер, довольно близок к одному из современных промышленных методов выделения 32-го элемента. Сначала германий, который содержался в аргароднте, перевели в двуокись. Затем полученный белый порошок нагревался до температуры 600−700 °C в водородной атмосфере. При этом реакция оказалась очевидной: GeO2 + 2H2 > Ge + 2H2О.

При переработке сульфида германия получают оксид GeО2, при помощи водорода его восстанавливают до получения свободного германия.

В промышленном производстве германий добывается в основном как побочный продукт в результате переработки руд цветных металлов (цинковая обманка, цинково-медно-свинцовые полиметаллические концентраты, содержащие 0,001—0,1% германия), золы от сжигания угля, некоторых продуктов коксохимии.

Изначально из рассмотренных выше источников выделяют германиевый концентрат (от 2% до 10% германия) различными способами, выбор которых зависит от состава сырья. На переработке боксирующих углей происходит частичное выпадение германия (от 5% до10%) в надсмольную воду и смолу, от туда он извлекается в комплексе с танином, после он высушивается и обжигается на температуре 400−500°С. В результате получается концентрат, который содержит около 30−40% германия, из него германий выделяют в виде GeCl4. Процесс извлечения германия из подобного концентрата, как правило, включает одни и те же стадии:

1) Концентрат хлорируют при помощи соляной кислоты, смесью кислоты и хлора в водной среде либо иными хлорирующими агентами, которые в результате могут дать технический GeCl4. С целью очистки GeCl4применяется ректификация и экстракция примесей концентрированной соляной кислоты.

2) Осуществляется гидролиз GeCl4, продукты гидролиза прокаливают вплоть до получения оксида GeO2.

3) GeO восстанавливается водородом или аммиаком до чистого металла.

При получении самого чистого германия, который используется в полупроводниковых технических средствах, проводят зонную плавку металла.

Четыреххлористый германий GeCl4. — это летучая жидкость, которая закипает всего при 83,1°C. Поэтому она достаточно удобно очищается дистилляцией и ректификацией (в кварцевых колоннах с насадкой).

GeCl4 почти нерастворим в соляной кислоте. Значит, для его очистки можно применять растворение примесей HCl.

Очищенный четыреххлористый германий обрабатывается водой, очищенной при помощи ионообменных смол. Признак нужной чистоты — увеличение показателя удельного сопротивления воды до 15−20 млн Ом· см.

Под действием воды происходит гидролиз GeCl4:

GeCl4 + 2H2O > GeO2 + 4HCl.

После идет восстановление GeO2 при помощи очищенного водорода:

GeO2 + 2 Н2O > Ge + 2 Н2O.

В итоге получают порошкообразный германий, который сплавляется, а затем очищается способом зонной плавки. Данный метод очистки был разработан еще в 1952 г. специально для очистки германия.

Необходимые для придания германию того или иного типа проводимости примеси вводятся на завершающих стадиях производства, а именно при зонной плавке, а также во время выращивания монокристалла.

Применение германия

Германий является полупроводниковым материалом, применяемым в электронике и технике при производстве микросхем и транзисторов. Тончайшие пленки германия наносятся на стекло, применяют как сопротивление в радарных установках. Сплавы германия с различными металлами используют при производстве детекторов и датчиков. Диоксид германия широко используется в производстве стекол, имеющих свойство пропускать инфракрасное излучение.

Теллурид германия уже очень давно служит стабильным термоэлектрическим материалом, а также как компонент термоэлектрических сплавов. Исключительно стратегическую роль играет германий сверхвысокой чистоты в изготовлении призм и линз инфракрасной оптики. Крупнейшим потребителем германия является именно инфракрасная оптика, которую используют в компьютерной технике, системах прицела и наведения ракет, приборах ночного видения, картографировании и исследовании поверхности земли со спутников. Германий также широко используется в оптоволоконных системах (добавка тетрафторида германия в состав стекловолокно), а также в полупроводниковых диодах.

Диоды на основе германия и триоды стали широко использоваться в телевизорах и радиоприемниках, в самой разной измерительной аппаратуре и счетно-решающих устройствах.

Применяется германий также и в других особо важных областях современной техники: при измерении низких температур, при обнаружении инфракрасного излучения и др.

Для использования метла во всех этих областях требуется германий очень высокой химической и физической чистоты. Химическая чистота — это такая чистота, при которой количество вредных примесей не должно составлять более чем одну десятимиллионную процента (10−7%). Физическая чистота означает минимум дислокаций, минимум нарушений кристаллической структуры вещества. Для ее достижения специально выращивается монокристаллический германий. В данном случае весь слиток металла представляет собой всего один кристалл.

Для этого на поверхность расплавленного германия помещается германиевый кристалл — «затравка», который постепенно поднимается при помощи автоматического устройства, при этом температура расплава немного превышает температуру плавления германия (составляет 937 °C). «Затравка» вращается, чтобы монокристалл, как говорится, «обрастал мясом» со всех равномерно сторон. Необходимо отметить, что во время подобного роста происходит то же, что и в процессе зонной плавки, т. е. в твердую фазу переходит практически один лишь германий, а все примеси остаются в расплаве.

Кремний Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5% по массе.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12% массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц икварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Получение кремния

Свободный кремний можно получить прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который представляет собой диоксид кремния:

При этом образуется бурый порошок аморфного кремния"[4].

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

Применение кремния сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна и сталей); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей уменьшает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;

сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);

сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;

иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;

для производства солнечных батарей.

Cверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) 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.

Соединения металлов с кремнием — силициды — являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

2. Электрофизическая обработка (электроэрозионная, лазерная, электронно-лучевая, плазменная) Электрофизическая обработка заключается в изменении формы, размеров или параметров шероховатости поверхности заготовки с применением электрических разрядов, магнитострикционного эффекта, электронного или оптического излучения, плазменной струи. В связи с этим к электрофизическим относятся электроэрозионные, ультразвуковые, лучевые и плазменные методы размерной обработки материалов.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы электрофизической обработки.

Электроэрозионная обработка. Электроэрозионные методы применяются для обработки токопроводящих материалов любой прочности, твердости и вязкости. Они основаны на явлении электрической эрозии, то есть направленном разрушении материала под действием тепла, вызываемого электрическими импульсными разрядами. Эти разряды возбуждаются между обрабатываемой деталью и электродом-инструментом.

Каждый из возникающих разрядов удаляет маленькую частичку металла, и инструмент, например мягкая латунная проволочка, постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму. Разряды возникают прежде всего там, где расстояние между инструментом и заготовкой минимально. Именно в этом месте расплавляется и испаряется металл заготовки.

Разряды между заготовкой и инструментом в электроэрозионных станках следуют один за другим с частотой от 50 до сотен тысяч в 1 с, в зависимости от того, какую скорость обработки и шероховатость поверхности мы хотим получить. Чем чаще разряды и чем меньше их мощность, тем меньше шероховатость поверхности, но скорость обработки при этом уменьшается.

Электроэрозионный станок обычно имеет устройства для перемещения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. Автоматическая система следит за размером промежутка между обрабатываемой заготовкой и инструментом.

Инструментом может служить проволочка, стержень, диск. Так, используя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, получают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.

При некоторых видах электроэрозионной обработки инструмент почти не изнашивается. Для сравнения скажем, что в некоторых случаях при механических методах стоимость инструмента достигает 50% стоимости обработки.

Ультразвуковая обработка. Еще сравнительно недавно никто не мог и предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. Сердце станка ультразвуковой обработки — преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. К преобразователю присоединен специальный волновод, который, увеличивая амплитуду колебаний, передает инструменту колебания такой формы, какой хотят иметь отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят зерна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зерна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1—5 мкм.

Светолучевая обработка. Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать тремя свойствами: быть монохроматичным, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно интенсивным. Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами.

В 1960 г. был создан источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами, — лазер, или квантовый генератор оптического излучения. С его помощью мы получаем усиленный монохроматический луч. В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор. При излучении лампы ионы хрома, находящиеся в рубине, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается, с помощью параллельных зеркал. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора.

Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5—10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 108—1010 Вт/см2. Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.

Лазер не только производит обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла и металла, для сварки как миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов, так и крупногабаритных деталей в машиностроении.

Электронно-лучевая обработка. Обработка материалов (сварка, резание и т. п.) пучком электронов — совсем новая область техники. Обработка ведется в высоком вакууме. Это необходимо, чтобы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки.

Обрабатываемое изделие устанавливается на столе, который может двигаться по горизонтали и вертикали. Луч благодаря специальному отклоняющему устройству также может перемещаться на небольшие расстояния (3—5. мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5—10 мкм. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет прожигать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно «отфрезеровать» более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.

Оказалось, что электронный луч, так же как и лазерный, обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия нагревает его до 6000° С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испаряет, образовав в материале отверстие или углубление. Современная техника позволяет регулировать плотность излучения электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц.

Плазменная обработка металлов производится с помощью специального сварочного оборудования. Как правило, в производственном процессе используется постоянный электрический ток с прямой полярностью. Допускается плазменная обработка с использованием тока переменного действия. Для обеспечения прямой полярности следует электрическую цепь строить таким образом, чтобы минусовой полюс всегда был на сварочном электроде, соприкасающимся с металлом в сварочной зоне.

Для возбуждения и поджога электрической дуги требуется специальный прибор — осциллятор. В промышленных условиях процесс поджога происходит от постоянно действующей дежурной электрической дуги. Питание плазменной дуги обеспечивается различными источниками сварочного электрического тока. Для качественного процесса требуется напряжение электрической сети от 120 В и выше. Сварочные аппараты, которые могут быть сопряжены с данными видами операций, должны иметь возможность пропускать электрический ток силой до 300 В. Именно такая мощность необходима для питания сварочного плазмотрона.

Плазменная резка и сварка металлов используется достаточно широко благодаря своим практическим преимуществам перед другими видами обработки металлов и тугоплавких материалов. Необходимым условием образования плазменной дуги является использование специальных технических газов. Чаще других для этих целей используются гелий и аргон. Эти технические газа в процессе сварки также обеспечивают надежную защиту металла в сварочной зоне.

Сварочные операции методом плазменной обработки можно производить как в вертикально и горизонтальном положении, так и с любым углом наклона.

Основные преимущества этого метода заключаются в экономичности и высокой степени производительности. Возможность сваривания достаточно толстых кромок деталей без предварительной механической обработки делает плазменную сварку популярной на крупных производственных участках. В частности, она незаменима на строительных площадках.

Простота метода позволяет с легкостью прокладывать стыковые и угловые сварочные швы без предварительной подготовки. В процессе сварки не требуется тщательная зачистка поверхностей свариваемых металлов. Это становится возможным благодаря тому, что сам процесс обработки заключается в сквозном прорезании металлических поверхностей и заполнения пустоты образующимся сплавом.

Существуют также методы плазменной микросварки с использованием силы тока до 10 Ампер. Таким способом можно быстро и качественно сваривать металлические детали с толщиной кромочной поверхности до 1 миллиметра.

3. Задача № 48. Пленочный конденсатор, диэлектрик которого имеет е = 3 теряет за 30 минут половину сообщенного ему заряда. Полагая, что утечка происходит только через пленку диэлектрика, определите его удельное сопротивление Дано:

?=3

Дt=30 мин=1800с

q2=q1

найти Решение