Як було сказано вище, тільки елементи 4 групи утворюють ідеально однорідні ковалентні напрямлені зв’язки з низьким координаційним числом, яке рівне 4. Число ж найближчих з’єднань при найщільнішій упаковці 12, тому очевидно, наскільки “рихлою”, “відкритою” структурою володіє кремній. Атоми в кристалі кремнію розташовані вільно, а об’єм міжвузлових пустот настільки великий ( 75% ), що при плавленні відбувається не збільшення об’єму, а навпаки - його зменшення (на 9%). Таку ж “рихлу” структуру має вуглець у формі алмаза, і германій. Але тільки у кремнію відстань між двома сусідніми атомами є 0,26 нано метрів що спричиняє оптимальну енергію зв’язку. В алмазі ця відстань є набагато менша від порядку 0.11 нанометрів, і він проявляє яскраво виражені діелектричні властивості, тоді, як германій за своїми властивостями ближчий до металів. Рихла, відкрита структура і достатньо сильний ковалентний зв'язок – особливості з’єднань кремнію, які пояснюють його багаті фізико - хімічні властивості, перераховані нижче.
1. оптимальне значення ширини заборонених зон, яка зумовила досить низьку концентрацію власних носіїв заряду і високу робочу температуру.
2. великий діапазон реально досягнутих максимальних опорів
3. високе значення модуля міцності.
4. мала щільність (2,3 г/см куб ).
5. оптимально висока температура плавлення.
6. висока теплопровідність.
7. тензочутливість – значна зміна максимального опору при максимальній деформації.
8. висока розчинність домішок, причому вони несильно викривляють кристалічну гратку кристалу.
Наслідком особливостей фізико-хімічних властивостей кремнію є його висока технологічність – стабільність і здатність до обробки різними методами, яка полягає в:
1. пасующі, масковані і захисні властивості власного оксиду.
Пасивні властивості проявляються в різкому зниженні швидкості окислення після утворення щільної тонкої плівки власного оксиду ( SiO2
Захисні властивості SO2 проявляються в тому, що для більшості домішок (за виключенням йонів натрію ) плівка служить непробивним бар’єром. Кремній, покритий оксидною плівкою, надійно захищений від впливу агресивних газів.
Маскувальна здатність – наслідок невеликої швидкості дифузії домішок в SiO2 , в 100…1000 разів менша, ніж у кремнію. Тому плівка SiO2 з вікнами в ній, відповідаючи топології схеми, служить маскою при виготовленні в ній кремнію планарних pn-переходів шляхом дифузії електричноактивних домішок із газової фази при температурі 1500 К.
2. Наявність зручних для очищення і послідовного відновлення (в тому числі і епітаксії) вихідних з’єднань SiCl4 , SiHCl3 , SiH4 . Перші два – тетра хлорид і трихлорсилан являють собою легкокиплячі рідини, неагресивні по відношенні щодо нержавіючої сталі. Це дозволяє глибоко чистити їх найбільш простим методом – ректифікацією.
SiH4 – моносилан, неміцний гідрид кремнію, який при кімнатні температурі є газом. З’єднуються з гідрогеном небагато хімічних елементів, тому вже при синтезі моносилану проходить глибоке очищення, яке доповнюється низькотемпературною ректифікацією. Тому монокристальний кремній, завдяки виключній чистоті по електричних властивостях, найближчий до власного.
3. Кремній робить з’єднання з цінними властивостями, що використовуються у напівпровідникових виробах та мікросхемах.
Широкого використання діоксид кремнію SiO2 у вигляді плавленого кварцу – нагрівостійкого і високою чистотою матеріалу. Із кварцу виробляють тиглі для плавки кремнію, труби для термообробки кремнію, різні контейнери, хімічний посуд.
Нітрид кремнію SiN4 – одне із найстійкіших хімічних зєднань. Його покриття на кремнію захищає його від навколишнього середовища, і від високих температур до 1473 К.
Карбід кремнію SiC –виникає при з’єднанні з карбоном при високій температурі. Це також термостійке з’єднання, яке використовується переважно для покриття графітових деталей, які знаходяться в робочій камері, де обробляється кремній. Завдяки такому покриттю виключається можливість забруднення карбоном, підвищується час роботи графітових деталей при високих температурах.
4. Кремній, маючи оксиген, нерівномірно розповсюджений по об’єму, володіє гетерориючими властивостями по відношені щодо деяких введених домішок. Вони проявляються в тому, що домішки Au, Cu, Ni диффундують в область з підвищеною концентрацією оксигену. В цьому випадку ми бачимо рідкісний випадок дифузії в сторону збільшення концентрації домішки, причому в рухливому шарі йде зниження внутрішньої енергії через зв’язування з домішкою оксигену . Реалізація гетерирування практично не потребує проведення додаткових операцій, бо в результаті термообробок концентрація оксисену в поверхневих шарах зменшується за рахунок його реакції з воднем і видаленням в атмосферу. При спеціальній обробці домішки дифундують у внутрішні області і таким чином виводяться з робочої зони, зайнятої транзисторами .
Обзовем вершины рамки АВСД АВ - дальний от проводника отрезок, СД - ближний, ВС,АД - перпендикулярны к проводнику по проводам ВС,АД идет ток в противоположных направлениях, одинаковая сила по модулю но разная по направлению компенсирует друг друга
бесконечный провод создает магнитное поле возле участка СД B = I1*m0/(2*pi*б) бесконечный провод создает магнитное поле возле участка АВ B = I1*m0/(2*pi*(б+а)) так как ток I2 течет по АВ и СД в разных направлениях, то равнодействующая всех сил, действующих на рамку, равна F=I1*m0/(2*pi*(б)) *I2*a- I1*m0/(2*pi*(б+а))*I2*a = =m0*I1*I2*a/(2*pi)*(1/б - 1/(б+а)) = m0* I1*I2*a^2 / (2*pi*б*(б+а)) =
= 4*pi*10^(-7)* 70*6*0,65^2 / (2*pi*0,018*(0,018+0,65)) Н= = 2*10^(-7)* 70*6*0,65^2 / (0,018*(0,018+0,65)) Н= 0,002952 Н ~ 0,003 Н = 3 мН
Як було сказано вище, тільки елементи 4 групи утворюють ідеально однорідні ковалентні напрямлені зв’язки з низьким координаційним числом, яке рівне 4. Число ж найближчих з’єднань при найщільнішій упаковці 12, тому очевидно, наскільки “рихлою”, “відкритою” структурою володіє кремній. Атоми в кристалі кремнію розташовані вільно, а об’єм міжвузлових пустот настільки великий ( 75% ), що при плавленні відбувається не збільшення об’єму, а навпаки - його зменшення (на 9%). Таку ж “рихлу” структуру має вуглець у формі алмаза, і германій. Але тільки у кремнію відстань між двома сусідніми атомами є 0,26 нано метрів що спричиняє оптимальну енергію зв’язку. В алмазі ця відстань є набагато менша від порядку 0.11 нанометрів, і він проявляє яскраво виражені діелектричні властивості, тоді, як германій за своїми властивостями ближчий до металів. Рихла, відкрита структура і достатньо сильний ковалентний зв'язок – особливості з’єднань кремнію, які пояснюють його багаті фізико - хімічні властивості, перераховані нижче.
1. оптимальне значення ширини заборонених зон, яка зумовила досить низьку концентрацію власних носіїв заряду і високу робочу температуру.
2. великий діапазон реально досягнутих максимальних опорів
3. високе значення модуля міцності.
4. мала щільність (2,3 г/см куб ).
5. оптимально висока температура плавлення.
6. висока теплопровідність.
7. тензочутливість – значна зміна максимального опору при максимальній деформації.
8. висока розчинність домішок, причому вони несильно викривляють кристалічну гратку кристалу.
Наслідком особливостей фізико-хімічних властивостей кремнію є його висока технологічність – стабільність і здатність до обробки різними методами, яка полягає в:
1. пасующі, масковані і захисні властивості власного оксиду.
Пасивні властивості проявляються в різкому зниженні швидкості окислення після утворення щільної тонкої плівки власного оксиду ( SiO2
Захисні властивості SO2 проявляються в тому, що для більшості домішок (за виключенням йонів натрію ) плівка служить непробивним бар’єром. Кремній, покритий оксидною плівкою, надійно захищений від впливу агресивних газів.
Маскувальна здатність – наслідок невеликої швидкості дифузії домішок в SiO2 , в 100…1000 разів менша, ніж у кремнію. Тому плівка SiO2 з вікнами в ній, відповідаючи топології схеми, служить маскою при виготовленні в ній кремнію планарних pn-переходів шляхом дифузії електричноактивних домішок із газової фази при температурі 1500 К.
2. Наявність зручних для очищення і послідовного відновлення (в тому числі і епітаксії) вихідних з’єднань SiCl4 , SiHCl3 , SiH4 . Перші два – тетра хлорид і трихлорсилан являють собою легкокиплячі рідини, неагресивні по відношенні щодо нержавіючої сталі. Це дозволяє глибоко чистити їх найбільш простим методом – ректифікацією.
SiH4 – моносилан, неміцний гідрид кремнію, який при кімнатні температурі є газом. З’єднуються з гідрогеном небагато хімічних елементів, тому вже при синтезі моносилану проходить глибоке очищення, яке доповнюється низькотемпературною ректифікацією. Тому монокристальний кремній, завдяки виключній чистоті по електричних властивостях, найближчий до власного.
3. Кремній робить з’єднання з цінними властивостями, що використовуються у напівпровідникових виробах та мікросхемах.
Широкого використання діоксид кремнію SiO2 у вигляді плавленого кварцу – нагрівостійкого і високою чистотою матеріалу. Із кварцу виробляють тиглі для плавки кремнію, труби для термообробки кремнію, різні контейнери, хімічний посуд.
Нітрид кремнію SiN4 – одне із найстійкіших хімічних зєднань. Його покриття на кремнію захищає його від навколишнього середовища, і від високих температур до 1473 К.
Карбід кремнію SiC –виникає при з’єднанні з карбоном при високій температурі. Це також термостійке з’єднання, яке використовується переважно для покриття графітових деталей, які знаходяться в робочій камері, де обробляється кремній. Завдяки такому покриттю виключається можливість забруднення карбоном, підвищується час роботи графітових деталей при високих температурах.
4. Кремній, маючи оксиген, нерівномірно розповсюджений по об’єму, володіє гетерориючими властивостями по відношені щодо деяких введених домішок. Вони проявляються в тому, що домішки Au, Cu, Ni диффундують в область з підвищеною концентрацією оксигену. В цьому випадку ми бачимо рідкісний випадок дифузії в сторону збільшення концентрації домішки, причому в рухливому шарі йде зниження внутрішньої енергії через зв’язування з домішкою оксигену . Реалізація гетерирування практично не потребує проведення додаткових операцій, бо в результаті термообробок концентрація оксисену в поверхневих шарах зменшується за рахунок його реакції з воднем і видаленням в атмосферу. При спеціальній обробці домішки дифундують у внутрішні області і таким чином виводяться з робочої зони, зайнятої транзисторами .
АВ - дальний от проводника отрезок, СД - ближний, ВС,АД - перпендикулярны к проводнику
по проводам ВС,АД идет ток в противоположных направлениях, одинаковая сила по модулю но разная по направлению компенсирует друг друга
бесконечный провод создает магнитное поле возле участка СД
B = I1*m0/(2*pi*б)
бесконечный провод создает магнитное поле возле участка АВ
B = I1*m0/(2*pi*(б+а))
так как ток I2 течет по АВ и СД в разных направлениях, то равнодействующая всех сил, действующих на рамку, равна
F=I1*m0/(2*pi*(б)) *I2*a- I1*m0/(2*pi*(б+а))*I2*a =
=m0*I1*I2*a/(2*pi)*(1/б - 1/(б+а)) = m0* I1*I2*a^2 / (2*pi*б*(б+а)) =
= 4*pi*10^(-7)* 70*6*0,65^2 / (2*pi*0,018*(0,018+0,65)) Н=
= 2*10^(-7)* 70*6*0,65^2 / (0,018*(0,018+0,65)) Н= 0,002952 Н ~ 0,003 Н = 3 мН