Кремний - удивительные свойства

Одним из самых распространенных в мире элементов и одновременно самым нужным в индустрии является кремний (силикон). Встречается он в природе повсюду в виде минерала кварца, из которого состоят как коренные горные породы, так и обычные пески на пляжах. Человечество еще с древних времен научилось использовать кремний в кварце для получения стекла, в строительстве, как заполнитель цемента в бетоне и для насыпей в дорожных работах. Но самая главная ценность кремния, так же как и редкого металла германия, в том, что он обладает таинственным физическим свойством «полупроводника», то есть проводит электричество только в одном направлении, а в обратную сторону действует как сопротивление. Физикам это свойство было известно уже давным давно, но сначала они понятия не имели как его можно применить в технике. Но вот в 1947 году американские ученые придумали сделать из полупроводников своеобразные крохотные реле. Они наклеили на пластину множество маленьких срезов (чипов) кремния и германия, подвели к ним с разных сторон провода и пустив  по проводам электричество получили прибор для передачи бинарного кода - проходит электричество это 1, не проходит это 0. Такое устройство получило название транзистор и на него перешла вся электроника.  Со временем, вместо проводов стали использовать фотографии. Инженеры чертили на ватмане  электрические схемы обычного масштаба, которые потом фотографировали и, сильно уменьшив с помощью мощной оптики, наносили эти уменьшенные фотографии электрических схем на плату прямо как на фотобумагу, серебро при проявлении фотографии служило отличным проводником электричества и полностью заменило громоздкие медные провода.
Сначала транзисторы делали как из германия, так и из кремния, но  германий оказался ненадежным, так как даже от небольшого нагрева, а как мы знаем все электронные приборы нагреваются от работы, свойства германия ухудшались - он переставал быть полупроводником, а работал как самый обычный проводник, в то время как кремний на тепло никак не реагировал. Да и встречается в природе германий очень редко, не то что повсеместно распространенный кварц. Однако для производства транзисторов для компьютеров и смартфонов требуется идеально чистый кремний. Чем чище кремний, без всяких посторонних примесей, тем выше скорость передачи информации в больших объемах - наличие всего лишь одного атома примеси на миллиард атомов кремния в крохотном кремниевом полупроводнике, резко влияет на скорость движения электронов в полупроводнике, существенно снижая ее. Для производства такого кремния требуется идеально чистый, без каких-либо примесей кварц и геологи стали искать такие месторождения кварца по всему миру. Подобные месторождения кварцевых жил находили в бывшем СССР, Китае, Бразилии, Канаде и других странах, но самыми удачливыми оказались американские геологи, которые разведали в штате Северная Каролина, в западной его части, гигантское месторождение «Спрюс Пайн» состоящее из кварца в виде метаморфических пород кварцитов очень высокой чистоты, практически без каких-либо примесей. Это самая высокая концентрация чистого кварца на земле. В настоящее время от 70 до 90 % кремния для полупроводников в мире получают из этого месторождения. Месторождение представляет собой протяженную долину в горном районе, длина месторождения 40 км и ширина 8 км. Кварцитовую руду горняки добывают открытым способом, в карьерах - каменоломнях, добытую руду дробят до мелких фракций и отправляют на переработку в плавильные печи, где из 6 тонн руды, перемешанной с углем, получают примерно 1 тонну кремния. Затем, после серии дополнительных очисток, кремний кристаллизуется в длинные кристаллы, которые режутся алмазными пилами на крохотные полупроводники. Процесс получения кристаллов кремния очень любопытен. Его по случаю обнаружил польский ученый химик Ян Сцокральский еще в 1915 году. Он изучал процесс кристаллизации при охлаждении  расплавленных веществ и совершенно случайно, по ошибке, обмакнул ручку вместо чернильницы в стоявшую перед ним плашку с расплавленным веществом, оловом. Когда он тут же вытащил оттуда ручку, то за ней потянулся тонкий, длинный кристалл идеально правильной формы, толщиной 3,5 мм и длиной 35 сантиметров. Этот метод получения кристаллов назвали в честь его автора Сцокральского и он широко применяется для получения кристаллов кремния.
Большинство производимого кремния доставляется на Тайвань, где у города Тайнаня располагается предприятие по производству полупроводников для всех современных компьютеров, смартфонов, электроавтомобилей и солнечных батарей. Руководители Тайваня когда-то мудро вложили 135 миллиардов долларов в строительство там заводов полупроводникоя и туда полностью перешло производство чипов из Силиконовой Долины в Калифорнии. На этих заводах работают тысячи роботов, а людей относительно немного, поэтому там проще поддерживать идеальную чистоту, столь необходимую для создания высокоскоростных полупроводников.
В бывшем СССР производству полупроводников уделялось огромное внимание. Кремний поступал из кварцевых месторождений Пермского края, транзисторы делали на крупном заводе в подмосковном Подольске. Причем специалистов по всему комплексу производства полупроводников готовили с 1963 года в Московском институте стали и сплавов.