El silicio monocristalino es un material semiconductor muy importante, a menudo utilizado para fabricar células solares, circuitos integrados, etc. En el proceso de aplicación, su coeficiente de expansión térmica es un parámetro muy importante.

1. coeficiente de expansión térmica del silicio monocristalino

El silicio monocristalino es un material compuesto por cristales de silicio puro, con un radio atómico de 0,11 nm y una constante reticular de 0,54 nm. El tamaño de su coeficiente de expansión térmica está estrechamente relacionado con la estructura del cristal. Para el silicio monocristalino, su coeficiente de expansión térmica tiene valores diferentes a lo largo de diferentes direcciones. En los cristales de silicio monocristalino, a lo largo de las direcciones izquierda y derecha, frontal y posterior, y superior e inferior del cristal, son 20,7 × 10-6 / k, 2,6 × 10-6 / k, y 2,6 × 10-6 / k, respectivamente. Entre ellos, el coeficiente de expansión térmica a lo largo de la dirección izquierda y derecha es el mayor, mientras que el coeficiente de expansión térmica a lo largo de las direcciones frontal, posterior, superior e inferior es relativamente pequeño. Esto puede explicarse por la estructura del cristal. La estructura cristalina del silicio monocristalino es un sistema cristalino cúbico, y su estructura tiene simetría de tres ejes, mientras que la constante reticular a lo largo de la dirección izquierda y derecha es grande, por lo que es fácil de expandir cuando se calienta.

2. Aplicación del coeficiente de expansión térmica del silicio monocristalino.

El coeficiente de expansión térmica del silicio monocristalino tiene un importante valor de aplicación en la preparación de células solares y circuitos integrados. Durante la fabricación de células solares, las obleas de silicio deben combinarse con materiales multicapa. Por lo tanto, es necesario considerar la compatibilidad entre las obleas de silicio y otros materiales y seleccionar las condiciones de combinación adecuadas para garantizar que el cristal completo no se deforme ni se rompa durante el calentamiento y el enfriamiento. Durante la fabricación de circuitos integrados, debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica entre los diversos materiales y las diferentes estructuras cristalinas, es fácil causar tensión de compresión o tensión de tracción en la capa de cristal, lo que afecta el rendimiento del dispositivo de cristal. Por lo tanto, en la selección y el procesamiento de materiales, es necesario considerar las propiedades de expansión térmica del cristal y minimizar la tensión del instrumento.

3. ¿El coeficiente de expansión térmica del silicio monocristalino cambiará a diferentes temperaturas?

En un experimento se utilizó el sistema de medición de deformación microscópica Xintuo 3D XTdic-Micro, combinado con una platina óptica de frío y calor, para probar silicio monocristalino. Tras reducir la temperatura de la muestra de silicio monocristalino de 20 °C a la temperatura del nitrógeno líquido, se elevó a 50 °C, 75 °C, 100 °C y 125 °C, manteniéndola durante 2-5 minutos entre ambos valores. Los coeficientes de expansión térmica varían en diferentes rangos de temperatura. Por ejemplo, de 20 °C a 50 °C es 2,75 × 10⁻⁶, de 50 °C a 75 °C es 2,76 × 10⁻⁶ y de 75 °C a 100 °C es 3,12 × 10⁻⁶. Análisis del principio teórico: los cambios de temperatura modifican el estado de movimiento térmico de los átomos de silicio monocristalino. A medida que aumenta la temperatura, la vibración atómica se intensifica, la distancia promedio entre los átomos aumenta y el coeficiente de expansión térmica cambiará en consecuencia; a medida que disminuye la temperatura, la vibración atómica se debilita, la distancia entre los átomos es relativamente estable y el coeficiente de expansión térmica también cambiará en consecuencia.