Монокристаллический кремний является важнейшим полупроводниковым материалом, часто используемым для производства солнечных элементов, интегральных схем и т. д. В процессе применения его коэффициент теплового расширения является очень важным параметром.

1. коэффициент теплового расширения монокристаллического кремния

Монокристаллический кремний — это материал, состоящий из чистых кристаллов кремния с атомным радиусом 0,11 нм и постоянной решетки 0,54 нм. Величина его коэффициента теплового расширения тесно связана со структурой кристалла. Для монокристаллического кремния его коэффициент теплового расширения имеет разные значения вдоль разных направлений. В монокристаллических кристаллах кремния вдоль левого и правого, переднего и заднего и верхнего и нижнего направлений они составляют 20,7 × 10-6/k, 2,6 × 10-6/k и 2,6 × 10-6/k соответственно. Среди них коэффициент теплового расширения вдоль левого и правого направления является наибольшим, в то время как коэффициент теплового расширения вдоль переднего и заднего, верхнего и нижнего направлений относительно мал. Это можно объяснить структурой кристалла. Кристаллическая структура монокристаллического кремния представляет собой кубическую кристаллическую систему, и ее структура имеет трехосную симметрию, в то время как постоянная решетки вдоль левого и правого направления велика, поэтому он легко расширяется при нагревании.

2. применение коэффициента теплового расширения монокристаллического кремния

Коэффициент теплового расширения монокристаллического кремния имеет важное прикладное значение при изготовлении солнечных элементов и интегральных схем. При изготовлении солнечных элементов кремниевые пластины необходимо компаундировать с многослойными материалами. Поэтому необходимо учитывать соответствие кремниевых пластин другим материалам и выбирать соответствующие условия компаундирования, чтобы гарантировать, что весь кристалл не деформируется и не разрушается при нагревании и охлаждении. При изготовлении интегральных схем из-за различных коэффициентов теплового расширения различных материалов и различных кристаллических структур в слое кристалла легко могут возникнуть сжимающие или растягивающие напряжения, что влияет на производительность кристаллического устройства. Поэтому при выборе и обработке материалов необходимо учитывать свойства теплового расширения кристалла и минимизировать напряжение прибора.

3. Будет ли изменяться коэффициент теплового расширения монокристаллического кремния при различных температурах?

В эксперименте использовалась микроскопическая система измерения деформации Xintuo 3D XTDIC-Micro в сочетании с оптическим горячим и холодным столиком для испытания монокристаллического кремния. После того, как температура образца монокристаллического кремния была понижена с 20 °C до температуры жидкого азота, ее затем повышали до 50 °C, 75 °C, 100 °C и 125 °C, выдерживая в промежутке 2–5 минут. Коэффициенты теплового расширения в различных температурных диапазонах различны. Например, 20 °C–50 °C составляет 2,75 × 10⁻⁶, 50 °C–75 °C составляет 2,76 × 10⁻⁶, а 75 °C–100 °C составляет 3,12 × 10⁻⁶. Анализ теоретического принципа: изменения температуры изменят состояние теплового движения атомов монокристаллического кремния. При повышении температуры вибрация атомов усиливается, среднее расстояние между атомами увеличивается, и коэффициент теплового расширения соответственно изменяется; при понижении температуры вибрация атомов ослабевает, расстояние между атомами относительно стабильно, и коэффициент теплового расширения также соответственно изменяется.