В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29,5% (по массе). По распространенности кремний занимает среди элементов второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Наиболее распространенным соединением этого элемента является двуокись кремния SiO2. Свободная двуокись кремния встречается в основном в виде минерала кварца. В ряде месторождений чистота кварцевого песка достигает 99,9%. Кремний в свободном состоянии в природе не встречается. В элементарном виде он впервые был получен в 1811 г., т.е. намного раньше германия. Однако как материал полупроводниковой электроники кремний нашел широкое применение лишь во второй половине текущего столетия после разработки эффективных методов его очистки.
Получение кремния. Исходным сырьем при получении кремния является природная двуокись (кремнезем), из которой кремний восстанавливают углеродсодержащим материалом в электрических печах. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1% примесей.
Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: 1) превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; 2) очистка соединения физическими и химическими методами; 3) восстановление соединения с выделением чистого кремния; 4) окончательная кристаллизационная очистка и выращивание монокристаллов.
В полупроводниковом производстве наибольшее распространение получил метод водородного восстановления трихлорсилана SiHCl3. Последний получают обработкой измельченного технического кремния сухим хлористым водородом при температуре 300–400°С:
Трихлорсилан представляет собой жидкость с температурой кипения 32°С. Поэтому он легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации.
Физико-химические и электрические свойства. Кремний кристаллизуется в структуре алмаза с несколько меньшим, чем у германия, периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия, расстояния между атомами в решетке обусловливают более сильную ковалентную химическую связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону.
В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является относительно инертным веществом. Он нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Хорошо растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах.
Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900сС. Выше этой температуры он начинает интенсивно окисляться с образованием двуокиси SiO2. При нагревании кремний легко взаимодействует с галогенами, а при температурах 1100 – 1300°С способен непосредственно соединяться с азотом с образованием нитрида Si3N4. Кремний хорошо растворим во многих расплавленных металлах (Аl, Ga, Sn, Аu, Ag и др.). С рядом металлов (Сr, Mo, Fe, Сu, Mg и др.) он образует устойчивые химические соединения – силициды. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов. Наиболее чистые материалы (кварц и графит), из которых обычно изготавливают лодочки и тигли, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. В результате реакции кремния с углеродом образуется карбид кремния SiC – очень устойчивое химическое соединение с полупроводниковыми свойствами.
Поведение примесей в кремнии подчиняется, в основном, тем же закономерностям, что и в германии. Атомы элементов III и V групп Периодической системы, являясь соответственно акцепторами и донорами, создают мелкие уровни в запрещенной зоне. Однако из-за меньшей диэлектрической проницаемости и большей эффективной массы носителей заряда энергия ионизации мелких доноров и акцепторов в кремнии существенно больше, чем в германии, и для большинства примесей составляет около 0,05 эВ. Тем не менее, и в этом случае комнатная температура соответствует области истощения примесей.
В отличие от германия, основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами, которые будут рассмотрены в юните 2.
Эпитаксия кремния. В планарной технологии кремниевых приборов и интегральных микросхем важную роль играют процессы эпитаксиального осаждения тонких слоев. Термин эпитаксия означает ориентированное наращивание одного кристаллического вещества на поверхности другого кристалла, служащего подложкой. Наиболее распространенный вариант промышленной технологии получения кремниевых эпитаксиальных слоев базируется на процессе водородного восстановления тетрахлорида кремния в соответствии с реакцией:
1. Ты про чистый кремний спросил? До какой степени чистоты? А может, примесный?
2. Ты проводимость при комнатной температуре имеешь в виду? Абсолютный ноль и дебаевские температуры исключаешь?
3. Ты ток проводимости имеешь в виду или ток смещения тоже?
1. При комнатной концентрация свободных носителей заряда (электронов, дырок) в миллионы миллионов раз меньше, чем в проводниках, и во столько же раз больше, чем в диэлектриках.
2. При абсолютном нуле он диэлектрик, при дебаевских — проводник.
3. Это было про токи проводимости, токи смещения проводит всегда.
Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от провод ников характером зависимости электропроводимости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений 
и др 
удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов (см. рис. 149), а, наоборот, уменьшается (рис. 188). Такие вещества и называют полупроводниками.
Из графика, изображенного на этом рисунке, видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопро тивлейие полупроводников очень велико. Это означает, что при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается. В чем же причины этого?
Строение полупроводников. Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удер живающих атомы кристалла возле друг друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.
Кремний — четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке 189.
Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью (см учебник «Неорганическая химия» для VII VIII классов). В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.
Не надо думать, что коллективизированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.
Парноэлектронные связи кремния до статочно прочны и при низких температурах не разрываются Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно
привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.
Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (рис. 190).
Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. По мере повышения температуры число разорванных связей и, значит, свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.
Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (рис. 190).
Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.
Таким образом, в полупроводниках имеются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Полупроводники поэтому обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.