Silic-tích hợp liên môn

BÀI 17
SILIC VÀ HỢP CHẤT CỦA SILIC
Nhóm
SILICON
A – SILIC (silicon)
Lịch sử:
Silic lần đầu tiên được nhận ra bởi Antoine Lavoisier năm 1787, và sau đó đã bị Humphry Davy cho là hợp chất vào năm 1800. 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
A – SILIC (silicon)
Lịch sử:
Năm 1811 các nhà bác học Pháp Gay Lussac và Thénard là những người đầu tiên diều chế Silic ở dạng vô định hình không nguyên chất.
SiF4+ 4K→ 4KF+ Si




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
 
Thénard (1777-1857)
Vị trí và cấu hình electron nguyên tử
Vị trí: ô 14, nhóm V A,
chu kì 3 của bảng tuần hoàn.
Cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Nguyên tử khối: 28
I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Si vô định hình: là chất bột màu nâu, không tan trong nước nhưng tan trong kim loại nóng chảy.




Si tồn tại ở 2 dạng:
I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Si tinh thể: có cấu trúc giống kim cương, màu xám, có ánh kim, có tính bán dẫn nóng chảy ở 14200C và là một chất bán dẫn.



I-TÍNH CHẤT VẬT LÍ
chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn ( Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.
I-TÍNH CHẤT VẬT LÍ
2) tính chất của chất bán dẫn
Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi


I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt.
I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
b) phân loại chất bán dẫn:
Chất bán dẫn tinh khiết hay còn được gọi là bán dẫn đơn chất.
Các bán dẫn tinh khiết thường gặp như : Si, Ge,…
Chất bán dẫn có tạp chất
Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS,…, nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua,… và một số chất polime.
Bán dẫn tinh khiết
I-TÍNH CHẤT VẬT LÍ
1. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết:
Ta xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử Si, thì ta gọi đó là bán dẫn tinh khiết.

Mô hình mạng tinh thể Silic
Khi nhiệt độ tăng cao, luôn có sự phát sinh các cặp electron-lỗ trống.
Số eletron và số lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau.

Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn
NHẬN XÉT
Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron và lỗ trống.
Bán dẫn tinh khiết gọi là bán dẫn loại i, ở bán dẫn tinh khiết số electron bằng số lỗ trống.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng và độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ giảm.
Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
Phân loại chất bán dẫn
2. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất:
Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Silic còn có các nguyên tử của nguyên tố khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều.
Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại:
_ Bán dẫn loại n.
_ Bán dẫn loại p.
a) Bán dẫn loại n
Giả sử trong mạng tinh thể có lẫn một nguyên tử Photpho (P).
Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất
Nhận xét
Như vậy, tạp chất P đã tạo thêm các electron tự do mà không làm tăng 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).

Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n.
b) Bán dẫn loại p:

Giả sử trong mạng tinh thể Sillic có một nguyên tử Bo (B).
Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất B
Nhận xét:
Như vậy, tạp chất Bo pha vào bán dẫn Sillic đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số electron dẫn.

Ta gọi lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay hạt tải điện đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản (hay hạt tải điện thiểu số).

Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p.
Hạt tải điện trong chất bán dẫn pha tạp là:
Đôno(bán dẫn loại n) là hợp chất tạo electron cho bán dẫn hay gọi là tạp chất cho.
Axepto(bán dẫn loại p) là hợp chất tạo lỗ trống cho bán dẫn hay gọi là tạp chất nhận.
Hạt tải điện trong chất chất bán dẫn tinh khiết là electron và lỗ trống
3) lớp chuyển p-n
sự hình thành lớp chuyển p-n

b) Dòng điện chạy qua lớp nghèo
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



II – TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Si có số oxi hóa: -4, 0, +2, +4 nên Si có cả tính khử và tính oxi hóa. Si vô định hình hoạt động tốt hơn si tinh thể.
Tính khử
Tác dụng với phi kim
Si + 2F2  SiF4
Tác dụng với hợp chất
Dễ tan trong dung dịch kiềm  H2
Si + NaOH + H2O  Na2SiO3 + 2H2
II – TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Tính khử
Tính oxi hóa
Ở nhiệt độ cao Si tác dụng với các kim loại như Ca, Mg, Fe tạo thành silixua kim loại.
2Mg + Si  Mg2Si
III- TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
Si là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất.
Trong tự nhiên chỉ gặp Si 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),...
III- TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
Si là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất
Trong tự nhiên chỉ gặp Si dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát, các khoáng vật silicat và aluminosilicat
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.
IV- ỨNG DỤNG
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.

-Pin mặt trời
-Tế bào quang điện
-Chíp máy tính
-Transistor
-Điot bán dẫn và
mạch chỉnh lưu
IV-ỨNG DỤNG
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 Điôt bán dẫn là chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều duy nhất hướng từ P-N (tác dụng chỉnh lưu dòng điện)
IV-ỨNG DỤNG
Transistor 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 lý giống như các công tắc điện thông thường. 






Kí hiệu transistor trên mạch điện và cấu tạo transistor​

IV-ỨNG DỤNG
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 lý ...) 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.
IV-ỨNG DỤNG
Tấm pin mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.
V- ĐIỀU CHẾ
Phương pháp vật lý: phương pháp nhiệt
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 mịn:

Trong công nghiệp, silic được điều chế bằng cách dùng than cốc khử silic đioxit trong lò điện ở nhiệt độ cao:
V- ĐIỀU CHẾ

Thực hiện bởi nhóm:
SILICON

Học sinh lớp 11a1
Trường THPT Nguyễn Văn Cừ