Площа кімнати становить 22 м2, висота цієї кімнати — 3 м. Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання повітря в кімнаті від 16 до 22 °С? Питома теплоємність повітря дорівнює 1 кДж/(кг °С).
Як було сказано вище, тільки елементи 4 групи утворюють ідеально однорідні ковалентні напрямлені зв’язки з низьким координаційним числом, яке рівне 4. Число ж найближчих з’єднань при найщільнішій упаковці 12, тому очевидно, наскільки “рихлою”, “відкритою” структурою володіє кремній. Атоми в кристалі кремнію розташовані вільно, а об’єм міжвузлових пустот настільки великий ( 75% ), що при плавленні відбувається не збільшення об’єму, а навпаки - його зменшення (на 9%). Таку ж “рихлу” структуру має вуглець у формі алмаза, і германій. Але тільки у кремнію відстань між двома сусідніми атомами є 0,26 нано метрів що спричиняє оптимальну енергію зв’язку. В алмазі ця відстань є набагато менша від порядку 0.11 нанометрів, і він проявляє яскраво виражені діелектричні властивості, тоді, як германій за своїми властивостями ближчий до металів. Рихла, відкрита структура і достатньо сильний ковалентний зв'язок – особливості з’єднань кремнію, які пояснюють його багаті фізико - хімічні властивості, перераховані нижче.
1. оптимальне значення ширини заборонених зон, яка зумовила досить низьку концентрацію власних носіїв заряду і високу робочу температуру.
2. великий діапазон реально досягнутих максимальних опорів
3. високе значення модуля міцності.
4. мала щільність (2,3 г/см куб ).
5. оптимально висока температура плавлення.
6. висока теплопровідність.
7. тензочутливість – значна зміна максимального опору при максимальній деформації.
8. висока розчинність домішок, причому вони несильно викривляють кристалічну гратку кристалу.
Наслідком особливостей фізико-хімічних властивостей кремнію є його висока технологічність – стабільність і здатність до обробки різними методами, яка полягає в:
1. пасующі, масковані і захисні властивості власного оксиду.
Пасивні властивості проявляються в різкому зниженні швидкості окислення після утворення щільної тонкої плівки власного оксиду ( SiO2
Захисні властивості SO2 проявляються в тому, що для більшості домішок (за виключенням йонів натрію ) плівка служить непробивним бар’єром. Кремній, покритий оксидною плівкою, надійно захищений від впливу агресивних газів.
Маскувальна здатність – наслідок невеликої швидкості дифузії домішок в SiO2 , в 100…1000 разів менша, ніж у кремнію. Тому плівка SiO2 з вікнами в ній, відповідаючи топології схеми, служить маскою при виготовленні в ній кремнію планарних pn-переходів шляхом дифузії електричноактивних домішок із газової фази при температурі 1500 К.
2. Наявність зручних для очищення і послідовного відновлення (в тому числі і епітаксії) вихідних з’єднань SiCl4 , SiHCl3 , SiH4 . Перші два – тетра хлорид і трихлорсилан являють собою легкокиплячі рідини, неагресивні по відношенні щодо нержавіючої сталі. Це дозволяє глибоко чистити їх найбільш простим методом – ректифікацією.
SiH4 – моносилан, неміцний гідрид кремнію, який при кімнатні температурі є газом. З’єднуються з гідрогеном небагато хімічних елементів, тому вже при синтезі моносилану проходить глибоке очищення, яке доповнюється низькотемпературною ректифікацією. Тому монокристальний кремній, завдяки виключній чистоті по електричних властивостях, найближчий до власного.
3. Кремній робить з’єднання з цінними властивостями, що використовуються у напівпровідникових виробах та мікросхемах.
Широкого використання діоксид кремнію SiO2 у вигляді плавленого кварцу – нагрівостійкого і високою чистотою матеріалу. Із кварцу виробляють тиглі для плавки кремнію, труби для термообробки кремнію, різні контейнери, хімічний посуд.
Нітрид кремнію SiN4 – одне із найстійкіших хімічних зєднань. Його покриття на кремнію захищає його від навколишнього середовища, і від високих температур до 1473 К.
Карбід кремнію SiC –виникає при з’єднанні з карбоном при високій температурі. Це також термостійке з’єднання, яке використовується переважно для покриття графітових деталей, які знаходяться в робочій камері, де обробляється кремній. Завдяки такому покриттю виключається можливість забруднення карбоном, підвищується час роботи графітових деталей при високих температурах.
4. Кремній, маючи оксиген, нерівномірно розповсюджений по об’єму, володіє гетерориючими властивостями по відношені щодо деяких введених домішок. Вони проявляються в тому, що домішки Au, Cu, Ni диффундують в область з підвищеною концентрацією оксигену. В цьому випадку ми бачимо рідкісний випадок дифузії в сторону збільшення концентрації домішки, причому в рухливому шарі йде зниження внутрішньої енергії через зв’язування з домішкою оксигену . Реалізація гетерирування практично не потребує проведення додаткових операцій, бо в результаті термообробок концентрація оксисену в поверхневих шарах зменшується за рахунок його реакції з воднем і видаленням в атмосферу. При спеціальній обробці домішки дифундують у внутрішні області і таким чином виводяться з робочої зони, зайнятої транзисторами .
Гидростатическое давление — давление столба воды над условным уровнем.
Благодаря полной удобоподвижности своих частиц капельные и газообразные жидкости, находясь в покое, передают давление одинаково во все стороны; давление это действует на всякую часть плоскости, ограничивающей жидкость, с силой Р, пропорциональной величине w этой поверхности, и направленной по нормали к ней. Отношение Pw, то есть давление р на поверхность равную единице, называется гидростатическим давлением.
Простое уравнение P = pw может действительно служить для точного вычисления давления на данную поверхность сосуда, газов и капельных жидкостей, находящихся при таких условиях, что часть давления, зависящая от собственного веса жидкостей, ничтожно мала по сравнению с давлением, передаваемым им извне. Сюда относятся почти все случаи давлений газов и расчеты давлений воды в гидравлических прессах и аккумуляторах.
В каждой жидкости существует давление, обусловленное её собственным весом.; учтём, что { V=Sh} мы получим формулу { p=pho/fh}
Плотность жидкости {\displaystyle \rho } \rho зависит от температуры. Для очень точных вычислений плотность следует рассчитывать по специальной формуле. Давление на данной глубине одинаково во всех направлениях. Суммарное давление, обусловленное весом столба жидкости и давлением поршня, называют гидростатическим давлением.
Для бытовых расчетов можно принять, что с ростом глубины на каждые 10 метров пресной воды, давление увеличивается на 0,1 МПа (1 атмосфера).
История открытия Это основное свойство жидкостей было открыто и проверено на опыте Блезом Паскалем в 1653 г., хотя несколько ранее оно было уже известно Стевину.
Единица измерения Единицей измерения давления в международной системе единиц является Паскаль. На практике гидростатическое давление часто измеряют в атмосферах, принимая за 1 атмосферу давление в 76 см ртутного столба, при температуре 0 °C при нормальном ускорении свободного падения 9,80665 м/с².
На основании гидростатического парадокса можно гидростатическое давление измерять также высотой столба ртути или воды производить то же давление на единицу поверхности.
Гидростатическое давление в любой точке одинаково по всем направлениям. Гидростатическое давление жидкости на глубине c силой давления на свободную поверхность (основное уравнение гидростатики. : Гидростатический парадокс
Гидростатическое давление на тело не зависит от направления. Вычисление немного усложняется, когда надо узнать давление, производимое на не горизонтальную часть стенки сосуда вследствие тяжести налитой на него жидкости. Здесь причиной давления становится вес столбов жидкости, имеющих основанием каждую бесконечно малую частицу рассматриваемой поверхности, а высотой вертикальное расстояние каждой такой частицы от свободной поверхности жидкости. Расстояния эти будут постоянны только для горизонтальных частей стенок и для бесконечно узких горизонтальных полосок, взятых на боковых стенках; к ним одним можно прилагать непосредственно формулу гидростатического давления. Для боковых же стенок надо суммировать, по правилам интегрального исчисления, давления на все горизонтальные элементы их поверхности; в результате получается общее правило: давление тяжелой жидкости на всякую плоскую стенку равняется весу столба этой жидкости, имеющему основанием площадь этой стенки, а высотой вертикальное расстояние её центра тяжести от свободной поверхности жидкости. Поэтому давление на дно сосуда будет зависеть только от величины поверхности этого дна, от высоты уровня жидкости в него налитой и от её плотности, от формы же сосуда оно зависеть не будет. Это положение известно под именем «гидростатического парадокса» и было разъяснено ещё Паскалем.
Действительно, оно кажется на первый взгляд неверным, потому что в сосудах с равными доньями, наполненными до равной высоты одной и той же жидкостью, вес её будет очень различный, если формы различны. Но вычисление и опыт (сделанный в первый раз Паскалем) показывают, что в сосуде, расширяющемся кверху, вес излишка жидкости поддерживается боковыми стенками и передается весам через их посредство, не действуя на дно, а в сосуде, суживающемся кверху, гидростатическое давление на боковые стенки действует снизу вверх и облегчает весы ровно на столько, сколько весило бы недостающее количество жидкости.
Чем глубже, тем выше давление. Гидростатическое давление жидкости с постоянной плотностью в однородном поле тяжести (= несжимаемая жидкость) — плотность [для пресной воды: ρ ≈ 1000 кг/м³] — ускорение свободного падения [для Европы: g ≈ 9,81 м/с²] — высота (здесь: жидкости) [м — [Па} = гидростатическое давление (p) зависит от высоты (h) жидкости.[
Як було сказано вище, тільки елементи 4 групи утворюють ідеально однорідні ковалентні напрямлені зв’язки з низьким координаційним числом, яке рівне 4. Число ж найближчих з’єднань при найщільнішій упаковці 12, тому очевидно, наскільки “рихлою”, “відкритою” структурою володіє кремній. Атоми в кристалі кремнію розташовані вільно, а об’єм міжвузлових пустот настільки великий ( 75% ), що при плавленні відбувається не збільшення об’єму, а навпаки - його зменшення (на 9%). Таку ж “рихлу” структуру має вуглець у формі алмаза, і германій. Але тільки у кремнію відстань між двома сусідніми атомами є 0,26 нано метрів що спричиняє оптимальну енергію зв’язку. В алмазі ця відстань є набагато менша від порядку 0.11 нанометрів, і він проявляє яскраво виражені діелектричні властивості, тоді, як германій за своїми властивостями ближчий до металів. Рихла, відкрита структура і достатньо сильний ковалентний зв'язок – особливості з’єднань кремнію, які пояснюють його багаті фізико - хімічні властивості, перераховані нижче.
1. оптимальне значення ширини заборонених зон, яка зумовила досить низьку концентрацію власних носіїв заряду і високу робочу температуру.
2. великий діапазон реально досягнутих максимальних опорів
3. високе значення модуля міцності.
4. мала щільність (2,3 г/см куб ).
5. оптимально висока температура плавлення.
6. висока теплопровідність.
7. тензочутливість – значна зміна максимального опору при максимальній деформації.
8. висока розчинність домішок, причому вони несильно викривляють кристалічну гратку кристалу.
Наслідком особливостей фізико-хімічних властивостей кремнію є його висока технологічність – стабільність і здатність до обробки різними методами, яка полягає в:
1. пасующі, масковані і захисні властивості власного оксиду.
Пасивні властивості проявляються в різкому зниженні швидкості окислення після утворення щільної тонкої плівки власного оксиду ( SiO2
Захисні властивості SO2 проявляються в тому, що для більшості домішок (за виключенням йонів натрію ) плівка служить непробивним бар’єром. Кремній, покритий оксидною плівкою, надійно захищений від впливу агресивних газів.
Маскувальна здатність – наслідок невеликої швидкості дифузії домішок в SiO2 , в 100…1000 разів менша, ніж у кремнію. Тому плівка SiO2 з вікнами в ній, відповідаючи топології схеми, служить маскою при виготовленні в ній кремнію планарних pn-переходів шляхом дифузії електричноактивних домішок із газової фази при температурі 1500 К.
2. Наявність зручних для очищення і послідовного відновлення (в тому числі і епітаксії) вихідних з’єднань SiCl4 , SiHCl3 , SiH4 . Перші два – тетра хлорид і трихлорсилан являють собою легкокиплячі рідини, неагресивні по відношенні щодо нержавіючої сталі. Це дозволяє глибоко чистити їх найбільш простим методом – ректифікацією.
SiH4 – моносилан, неміцний гідрид кремнію, який при кімнатні температурі є газом. З’єднуються з гідрогеном небагато хімічних елементів, тому вже при синтезі моносилану проходить глибоке очищення, яке доповнюється низькотемпературною ректифікацією. Тому монокристальний кремній, завдяки виключній чистоті по електричних властивостях, найближчий до власного.
3. Кремній робить з’єднання з цінними властивостями, що використовуються у напівпровідникових виробах та мікросхемах.
Широкого використання діоксид кремнію SiO2 у вигляді плавленого кварцу – нагрівостійкого і високою чистотою матеріалу. Із кварцу виробляють тиглі для плавки кремнію, труби для термообробки кремнію, різні контейнери, хімічний посуд.
Нітрид кремнію SiN4 – одне із найстійкіших хімічних зєднань. Його покриття на кремнію захищає його від навколишнього середовища, і від високих температур до 1473 К.
Карбід кремнію SiC –виникає при з’єднанні з карбоном при високій температурі. Це також термостійке з’єднання, яке використовується переважно для покриття графітових деталей, які знаходяться в робочій камері, де обробляється кремній. Завдяки такому покриттю виключається можливість забруднення карбоном, підвищується час роботи графітових деталей при високих температурах.
4. Кремній, маючи оксиген, нерівномірно розповсюджений по об’єму, володіє гетерориючими властивостями по відношені щодо деяких введених домішок. Вони проявляються в тому, що домішки Au, Cu, Ni диффундують в область з підвищеною концентрацією оксигену. В цьому випадку ми бачимо рідкісний випадок дифузії в сторону збільшення концентрації домішки, причому в рухливому шарі йде зниження внутрішньої енергії через зв’язування з домішкою оксигену . Реалізація гетерирування практично не потребує проведення додаткових операцій, бо в результаті термообробок концентрація оксисену в поверхневих шарах зменшується за рахунок його реакції з воднем і видаленням в атмосферу. При спеціальній обробці домішки дифундують у внутрішні області і таким чином виводяться з робочої зони, зайнятої транзисторами .