tich hop hoa li 11 bai Silic

<span class='text_page_counter'>(1)</span>SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG NGUYỄN VĂN CỪ. .  . TÌM HIỂU VỀ SILIC ĐƠN CHẤT (SILICON) VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC VẬT LÍ. Nhóm: Silicon Lớp:11a1.

<span class='text_page_counter'>(2)</span> Cứ mỗi lần nhắc tới quy trình sản xuất chip máy tính thì người ta lại nói đến Silic. Đây chính là thành phần cơ bản nhất của bất kì bộ vi xử lí máy tính nào, tất nhiên là bao gồm thiết bị mà bạn đang dùng để đọc bài viết này. Vậy Silic có gì đặc biệt và tại sao nó được dùng làm chip máy tính? Rất nhiều điểm thú vị về nguyên tố độc đáo Silic, từ những ứng dụng thường ngày, trong công nghệ cho tới cả sự sống ngoài Trái Đất nữa.. I.. Giới thiệu chung a) Lịch sử Silic lần đầu tiên được nhận ra bởi Antoine Lavoisier năm 1787, và sau đó đã bị Humphry Davy vào năm 1800 cho là hợp chất. Năm 1805 nhà bác học Nga N.N Bêketôp đã điều chế được Silic tự do khi cho kẽm tác dụng với Silic tetraflorua: SiF4 + 2Zn → 2ZnCl2 + Si. Antoine Lavoisier. Vào năm 1811 các nhà bác học Pháp Gay Lussac (1778-1850) và Thénard (1777-1857) là những người đầu tiên điều chế Silic ở dạng vô định hình không nguyên chất. Hai ông cho Kali tác dụng với Silic tetraflorua và nhận thấy rằng phản ứng xảy ra mãnh liệt tạo thành chất bột màu nâu, đó chính là Silic và tạp chất thế nhưng hai ông không biết chất họ điều chế là chất gì SiF4+ 4K→ 4KF+ Si Vận may cuối cùng rơi vào nhà hóa học Berzelius. Đến năm 1825, nhà hóa học kiêm khoáng vật học Thụy Điển Berzelius (Beczêliuyt) đã tìm ra Silic dưới dạng nguyên tố độc lập, khi đun nóng kali flosilicat với kali, ông đã tách được Silic ra khỏi hợp chất đó bằng cách rửa nó nhiều lần: K2SiF6 + 4K  6 KF + Si Silic thu được ở dạng vô định hình nhưng có độ tinh khiết cao hơn. Ông đặt tên cho nó là Silic (đá lửa hay đá cứng). Ông cũng là người đầu tiên đã nhận thấy rằng khi đốt Silic thì nó chuyển hóa thành đá Silic, nhờ thế mà đã chứng minh rằng Silic là nguyên tố, là cơ sở của silic đioxit. Ngày nay có một phương pháp đặc biệt để sản xuất Silic là “ phương pháp nhiệt”. Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu(1777sạch trong Thénard 1857)lò luyện bằng hồ quang với các điện cực Cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900oC, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng: SiO2 + C → Si + CO2. Silic lỏng được.

<span class='text_page_counter'>(3)</span> thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết. b). Vị trí và cấu hình electron nguyên tử. . Silic ở ô thứ 14, nhóm IV A, chu kì 3 của bảng tuần hoàn.. . Kí hiệu hóa học: Si.. . Nguyên tử khối: 28. . Cấu hình electron của nguyên tử Silic là. 1s22s22p63s23p2 . Bán kính nguyên tử: 0,117 nm. . Độ âm điện: 1,9. . Năng lượng ion hóa thứ nhất: 786 (kJ/mol). . Lớp ngoài cùng có 4 electron nên trong các. hợp chất, nguyên tử Silic có thể tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.. II.. Tính chất vật lí Silic (Si) tồn tại ở hai dạng: Silic tinh thể và Silic vô định hình 1.. Silic tinh thể. Có cấu trúc tương tự kim cương, màu xám, có ánh kim, nóng chảy ở 1420oC.. a). Silic - chất bán dẫn. Chất bán dẫn là chất có điện trở suất nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện môi. Nhóm vật liệu tiêu biểu là gemani và silic. Tính chất của chất bán dẫn: + Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm..

<span class='text_page_counter'>(4)</span> + Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất..  + Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác. Bán dẫn tinh khiết. Kim loại. b). Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết Silic. T. Trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử là Si, thì đó gọi là bán dẫn tinh khiết. Mỗi nguyên tử Silic có 4 electron lớp ngoài cùng liên kết các nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.. Mô hình liên kết của các nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham gia vào liên kết với các nguyên tử Si ở bên cạnh. Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron  Si không dẫn điện vì không có hạt tải điện chuyển động cho dù được đặt trong điện trường..

<span class='text_page_counter'>(5)</span> Ở nhiệt độ cao, nhờ dao động nhiệt của các nguyên tử, một số electron hóa trị thu thêm năng lượng và được giải phóng khỏi các liên kết, trở thành các electron tự do. Chúng có thể tham gia vào sự dẫn điện giống như electron dẫn trong kim loại. Đồng thời, khi một electron bứt khỏi liên kết, thì một liên kết bị trống xuất hiện. Người ta gọi nó là lỗ trống.. Vậy ở nhiệt độ cao, có sự phát sinh ra các cặp electron- lỗ trống Nếu nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo ra. Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do có thể chuyển động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó tạo ra liên kết mới được tao ra ở các vị trí khác nhau trong liên kết của các nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do chuyển động cũng làm cho các lỗ trống này chuyển động theo.. Khi một electron lắp đầy lỗ trống liên kết mới được hình thành không tạo ra bất kì điện tích dư thừa nào giống như (e) + (-e) =0 các nhà vật lí học gọi coi lỗ trống có điện tích là q=e=+1.6.10-19C có tính chất giống như một hạt mang điện dương..

<span class='text_page_counter'>(6)</span> Khi có sự chênh lệch điện thế giữa chất bán dẫn các electron và lỗ trống sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn. Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống bằng nhau. Nhiệt độ càng cao thì số electron và lỗ trống càng lớn. Do đó, độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.. Vậy, dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường. Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng. Cặp electron-lỗ trống còn phát sinh khi ta chiếu ánh sáng có bức sóng thích hợp vào bán dẫn. Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.. c) Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất Để tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp, người ta tiến hành pha trộn bán dẫn tinh khiết với một nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn tạo ra hai loại bán dẫn chủ đạo dưới đây: . Bán dẫn loại n:. Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hóa trị 5 như Photpho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử trở thành điện tử tự do  Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative:âm). Như vậy, tạp chất P đã tạo thêm các electron tự do mà không làm tăng thêm số lỗ trống. Ta gọi electron là hạt tải điện cơ bản hay đa số, lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số..

<span class='text_page_counter'>(7)</span> Tạp chất đôno ( tạp chất cho) là sự pha tạp giữa bán dẫn tinh khiết nhóm 4 (Si,Ge,..) có 4 electron lớp ngoài cùng với một nguyên tố có 5 electron lớp ngoài cùng (ví dụ như Photpho). Khi đó trong tạp chất bán dẫn đôno sẽ có mật độ các electron nhiều hơn lỗ trống. . Bán dẫn loại p:. Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hóa trị 3 như Bo vào chất bán dẫn Silic theo liên kết cộng hóa trị và liên kết bị thiếu một điện tử trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn p.. Như vậy, tạp chất Bo pha vào bán dẫn Silic đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số electron dẫn, tức là mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron. Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số). Tạp chất Axepto( tạp chất nhận ) là sự pha tạp giữa bán dẫn tinh khiết nhóm 4 (Si,Ge,...) có 4 electron ở lớp ngoài cùng với nguyên tố có 3 electron lớp ngoài cùng( Bo,In,...). Khi đó trong tạp chất bán dẫn Axepto sẽ có mật độ lỗ trống nhiều hơn electron.. Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn và có tính dẫn điện mong muốn. Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.

<span class='text_page_counter'>(8)</span> d) Lớp chuyển tiếp p-n:  Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n Khi có hai loại bán dẫn p và n đặt tiếp xúc nhau thì có sự khuếch tán electron tự do từ phần bán dẫn n sang p và lỗ trống khuếch tán từ phần bán dẫn p sang n, kết quả là ở mặt phân cách giữa hai bán dẫn hình thành một lớp tiếp xúc tích điện dương về phía bán dẫn n và tích điện âm về phía bán dẫn p. Do đó trong lớp tiếp xúc có điện trường E hướng từ n sang p làm ngăn cản sự khuếch tán của các hạt mang điện. Do có sự khuếch tán nói trên nên số hạt mang điện cơ bản ở sát hai bên của lớp tiếp xúc giảm đi nên điện trở của lớp tiếp xúc rất lớn..  Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n - Khi nối bán dẫn loại p vào cực dương, bán dẫn loại n vào cực âm của nguồn điện. Điện trường E do nguồn điện tạo ra hướng từ p sang n làm cho hạt mang điện cơ bản di chuyển qua lớp tiếp xúc, nên có dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc. - Khi nối bán dẫn loại n vào cực dương, bán dẫn loại p vào cực âm của nguồn điện. Điện trường E do nguồn điện tạo ra hướng từ n sang p làm cho hạt mang điện cơ bản không di chuyển qua lớp tiếp xúc, chỉ có hạt mang điện không cơ bản đi qua lớp tiếp xúc tạo ra dòng điện có cường độ rất nhỏ gọi là dòng điện ngược. Kết luận: lớp tiếp xúc p-n chỉ dẫn điện theo một chiều từ p sang n 2. Silic vô định hình:là chất bột màu nâu, không tan trong nước nhưng tan trong kim loại nóng chảy..

<span class='text_page_counter'>(9)</span> III.. Tính chất hóa học - Các mức oxi hóa có thể có của Si: -4; 0; +2; +4 (số oxi hóa +2 ít đặc trưng) nên Si có cả tính khử và tính oxi hoá. - Silic vô định hình có khả năng phản ứng cao hơn silic tinh thể. 1. Tính khử - Tác dụng với phi kim: Si + 2F2 → SiF4 (phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường) Si + 2O2 → SiO2 (400 - 6000C) - Tác dụng với hợp chất: + Si tan dễ dàng trong dung dịch kiềm → H2 Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2 2. Tính oxi hóa Si tác dụng được với nhiều kim loại ở nhiệt độ cao → silixua kim loại..

<span class='text_page_counter'>(10)</span> 2Mg + Si → Mg2Si. IV.. Trạng thái tự nhiên - Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất.. Trong tự nhiên chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát (SiO2), các khoáng vật silicat và aluminosilicat như : cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), xecpentin (3MgO.2SiO2.2H2O), fenspat (Na2O.Al2O3.6SiO2),.... -. V.. - Silic còn có trong cơ thể động, thực vật với lượng nhỏ và có vai trò đáng kể trong hoạt động sống của thế giới hữu sinh. Ứng dụng Silic là nguyên tố rất có ích, là cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp. .Trong các photonic: Silic được sử dụng trong các laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm..

<span class='text_page_counter'>(11)</span>  LCD và pin mặt trời: Silic ngậm nước vô định hình có hứa hẹn trong các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạo màn hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp và màn rộng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời.. Màn hình tinh thẻ lỏng và pin Mặt Trời Ứng dụng quan trọng nhất của Silic là sản xuất các thiết bị bán dẫn, Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm Asen, Bo, Gali hay Photpho để làm silic dẫn điện tốt hơn:  Điốt (diode) bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn được cấu tạo bởi một lớp chuyển tiếp p-n. Tác dụng chính của Điốt bán dẫn là chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều duy nhất hướng từ p-n (tác dụng chỉnh lưu dòng diện).

<span class='text_page_counter'>(12)</span>  Linh kiện bán dẫn Transistor (tranzito): đóng vai trò như một công tắc điện giúp đóng (trạng thái 0) và mở (trạng thái 1) một cách tự động mà không cần có sự chuyển động vật lí giống như các công tắc điện thông thường. Kích thích của tranzito rất nhỏ có thể đạt tới cỡ nanomet(10-9 m) nhỏ hơn mét một tỉ lần  ta có thể tạo sắp xếp rất nhiều Transistor trong một linh kiện bán dẫn kích thước nhỏ.. Kí hiệu Transistor trên mạch điện và cấu tạo Transistor  Chip máy tính: Chip core i7 của Intel sản xuất trên dây truyền 10nm có khoảng hơn 700 triệu Transistor. Việc phát triển ngôn ngữ lập trình và hệ điều hành (phần mềm) kết hợp với phần cứng (vi xử lí,...) đã tạo nên những chiếc máy tính, điện thoại thông minh,... giúp nâng cao khả năng ghi nhớ, tính toán, dự đoán,.. của con người..

<span class='text_page_counter'>(13)</span>  Pin mặt trời Silic: vật liệu xuất phát để làm pin Mặt Trời Silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt Trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó được tiếp xúc p-n.. Hoạt động của pin Silic  Ferosilic: là loại thép có chứa 15% Si, được dùng trong luyện kim để điều chế thép bền đối với silic. Loại thép này chỉ bị ăn mòn bởi axit HCl, với tỉ lệ Silic cao (50% Si) thì không một axit nào tác dụng lên nó..  Thép Silic: thuộc loại hợp kim từ mềm, được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy điện , như các động cơ điện, máy biến áp..

<span class='text_page_counter'>(14)</span> VI.. Điều chế 1) Phương pháp hóa học: Trong phòng thí nghiệm, silic được điều chế bằng cách đốt cháy một hỗn hợp gồm bột magie và cát nghiền min: SiO2 + 2Mg. t°. Si + 2MgO.

<span class='text_page_counter'>(15)</span> Phản ứng điều chế Silic Trong công nghiệp, silic được điều chế bằng cách dùng than cốc khử silic đioxit trong lò điện ở nhiệt độ cao : SiO2 + C Than cốc → 2CO + Si (18000C) 2) Phương pháp vật lí:. Ngày nay có một phương pháp đặc biệt để sản xuất Silic là “ phương pháp nhiệt”. Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực Cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900oC, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng: SiO2 + C → Si + CO2. Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết..

<span class='text_page_counter'>(16)</span>