半导体材料硅的基本性质
一．半导体材料
1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：
图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围
1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：
元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1) 二元化合物GaAs ― 砷化镓SiC ― 碳化硅
2) 三元化合物
AlGa11As ― 砷化镓铝
AlIn11As ― 砷化铟铝
1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：
本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：
施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅
1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而
空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而
电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。
二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质
硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1
所示。
性质原子序数原子量原子密度晶体结构晶格常数熔点密度(固/液) 介电常数
本征载流子浓度本征电阻率电子迁移率符号 Z M a Tm ? ?0 单位个/cm3 ? ℃
g/ cm 个/ cm3 ?3硅（Si） 14 28.085 5.00×1022 金刚石型 5.43 1420 2.329/2.533 11.9 1.5×1010 2.3×105 1350 ni ?i ・cm ?n cm2/(V・S) 空穴迁移率电子扩散系数
空穴扩散系数禁带宽度（25℃）导带有效态密度价带有效态密度器件最高工作温度
1.2 硅的电学性质
硅的电学性质有两大特点：
?p cm2/(V・S) cm/S cm2/S eV cm-3 cm ℃ -32480 34.6 12.3 1.11 2.8×1019
1.04×10 250 19Dn Dp Eg Nc Nv 表1 硅的物理化学性质（300K）
一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010?・cm
二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、无
掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著
增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分
之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（�プ逶�素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。如图所示电阻率随杂质浓度的变化
1.3 硅的化学性质
硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。1. 硅的热氧化反应
～1100℃
Si + O2 → SiO2
～1000℃
Si + 2H2O → SiO2 + H2
在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度
加快。 2. 硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应～300℃
Si + 2Cl2 → SiCl4 ～280℃
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料―SiCl4和SiHCl3。 3. 硅与酸的化学反
应
硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其
混合液所腐蚀。
（1）硅与HF―HNO3 混合液的化学反应
Si + 4HNO3 + 6HF → H2SiF6 + 4NO2 + 4H2O
HNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反应在硅的
缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。
（2）硅与H F―CrO3混合液有化学反应
Si + CrO3 + 8HF → H2SiF6 + CrF2 + 3H2O
此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）硅与金属的作用
硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反应
1400℃
Si + SiO2 → 2SiO
在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔
体会发生上述反应。反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在
熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉制单晶时，单晶炉内
须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着
SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO
粉末影响无位错单晶生长。
1.4 硅的晶体结构和化学键 1.硅的晶体结构
硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。如图2.1和图2.2所示。
图2.1 共价四面体图2.2 硅的晶体结构
2．硅晶体的化学键
硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。电子的配对是形成共价键的必要条件。硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共
价键。
硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已
有2个自旋相反的电子配成对了。3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。那么，两个p
电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。如此，硅原子的价电子配布为：
3s 3p
按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。只有p 轨道上的2个电
子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。这样每个原子只能和最近邻原子形成
2个共价键，而实际上却是4个共价键。
这个矛盾靠轨道的杂化来解决。硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp杂化轨道：
3s 3p
3
sp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋
稳定。
共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。这4
个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。这个特性就是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。硅原子的四个sp3杂化
轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。所以，它
们的对称轴必须指向正四面体的四角。而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子
轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。因此，硅原子结合时的4个共价键取四面
体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3 杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
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硅的基本性质 硅属元素周期表第三周期ⅣA族，原子序数l4，原子量28．085。硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2，原子价主要为4价，其次为2价，因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物，四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为25．8％。硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为：28Si为92．23％，29Si为4．67％，30Si为3．10％。硅晶体中原子以共价键结合，并具有正四面体晶体学特征。在常压下，硅晶体具有金刚石型结构，晶格常数a=0．5430nm，加压至l5GPa，则变为面心立方型，a=0．6636nm。 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，它的许多重要的物理化学性质，如表1．1 所示。 表1．1 硅的物理化学性质(300K)[4，6] ①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为cm-3或cm-2。
续表 硅的基本物理和化学性质 硅的电学性质 半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点，一是导电性介于导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光、热、磁等)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，例如，向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(v 族元素：磷、砷、锑等)为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质(Ⅲ族元素：硼、铝、镓等)为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。 硅和锗作为元素半导体，没有化合物半导体那样的化学计量比问题和多组元提纯的复杂性，因此在工艺上比较容易获得高纯度和高完整性的Si、Ge单晶。硅的禁带宽度比锗大，所以相对于锗器件而言硅器件的结漏电流比较小，工作温度比较高(250℃)(锗器件只能在150℃以下工作)。此外，地球上硅的存量十分丰富，比锗的丰度(4×10-4％)多得多。所以，硅材料的原料供给可以说是取之
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
“金属硅”（我国也称工业硅）。目前，国际通用作法是把商品硅分成金属硅和半导体硅。金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年来，含Si量99.99%的也名手在金属硅内），其余杂质为铁、铝、钙等。硅的性质硅是半金属之一,旧称“矽”。熔点为1412℃，密度为 2.34克/厘米3。质硬而脆。在常温下不溶于酸，易溶于碱。 硅guī（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，同素异形体有无定形硅和结晶硅。属于元素周期表上IV A族的类金属元素。 晶体结构：晶胞为面心立方晶胞。 氧化态： Main Si+2, Si+4 化学键能：(kJ /mol) Si-H 326 Si-C 301 Si-O 486 Si-F 582 Si-Cl 391 Si-Si 226 热导率: W/(m·K) 149 晶胞参数： a = 543.09 pm b = 543.09 pm c = 543.09 pm α = 90° β = 90° γ = 90° 莫氏硬度：6.5 声音在其中的传播速率：（m/S）8433 晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％， 结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。
新型半导体材料——有机硅半导体的化学结 构及性质解析 随着科技的不断发展，半导体材料在电子领域的应用也越来越 广泛。有机硅半导体作为新型半导体材料，因其化学结构及性质 的独特性，备受研究者们的关注。本文将从有机硅半导体的化学 结构、性质以及在电子器件中的应用等方面进行探讨。 一、有机硅半导体的化学结构 有机硅半导体是由硅原子和有机基团组成的材料，其化学结构 可以通过分子式SiRnHm来表示。其中，R为有机基团，n和m为其数量。在有机硅半导体的化学结构中，硅原子有4个价电子， 一般和四个有机基团成键，形成四面体结构。这种结构使得有机 硅半导体在电子传导方面具有相当高的性能。 有机硅半导体的化学结构还包括分子末端的取代基团。这些取 代基团可以影响有机硅半导体的电学性质。例如，引入氟原子取 代基团可以提高有机硅半导体的电子亲和能力，加速载流子的传 输速度；而引入烷基取代基团则会使其具有更高的空穴亲和能力，使其成为p型半导体。
二、有机硅半导体的性质 1.电学性质 有机硅半导体具有良好的电学性质，可以作为电子器件中的材料。有机硅半导体的导电性可以由金属接触或掺杂来调节。此外，有机硅半导体的导电性还受其化学结构的影响。这种特性可以用 于制备不同性质的半导体器件，从而扩展其应用领域。 2.光学性质 有机硅半导体也具有良好的光学性质，可以用于制备光电器件。有机硅半导体的光学性质主要表现为吸收谱和发射谱。吸收谱可 以用于制备光电探测器和太阳能电池等；而发射谱则可以用于制 备有机发光二极管等。 3.热化学性质
有机硅半导体的热化学性质也非常重要。这种材料的热稳定性较好，可以在高温下保持稳定的电学性质。此外，有机硅半导体还具有较高的玻璃化转变温度，可以用于制备高温电子器件。 三、有机硅半导体在电子器件中的应用 有机硅半导体的性质决定了其在电子器件中具有广泛的应用前景。其中，最重要的应用包括有机薄膜晶体管、有机光电器件、有机发光二极管等。 1.有机薄膜晶体管 有机硅半导体的高电学性和热化学性质使其成为制备有机薄膜晶体管的理想材料。有机薄膜晶体管具有低制造成本、低功耗、良好的生物相容性等优点，因此被广泛应用于柔性电子、生物传感等领域。 2.有机光电器件
硅在半导体中的应用论文范文 硅在半导体中的应用 摘要：硅是目前半导体行业中最重要的材料之一。本文将介绍硅在半导体中的应用，包括硅的物化特性、硅晶体的生长与制备、硅的掺杂与杂质控制等方面。同时，还将讨论硅在集成电路、太阳能电池、光电器件等领域中的应用，并展望硅材料在未来半导体行业的发展。 关键词：硅；半导体；集成电路；太阳能电池；光电器件 一、引言 硅是地壳中丰富的元素之一，主要以二氧化硅的形式存在于大自然中。由于硅的物理和化学性质的优越性能，使得它成为了当前半导体行业最为重要的材料之一。硅具有优良的热导率、电导率、机械强度和化学稳定性，因此被广泛运用于半导体器件的制造。 二、硅的物化特性 硅是一种化学元素，其原子序数为14，原子量约为28。它的晶体结构是面心立方结构，可在高温下保持稳定。硅具有良好的导热性和导电性，热导率约为150 W/m·K，电导率约为1 Ω·cm。 三、硅晶体的生长与制备
硅晶体的生长主要采用Czochralski法和浮升法。其中，Czochralski法是最常用的生长方法。该方法通过向熔融硅中加入适量的掺杂物，通过拉动的方式冷却成长单晶。浮升法则是利用压力差和温度差将石英坩埚中的硅熔体推上硅棒来实现晶体生长。 四、硅的掺杂与杂质控制 为了改变硅的导电性能，可以通过掺杂的方式向硅材料中引入其他元素。常见的掺杂有N型掺杂和P型掺杂。N型掺杂是通过掺入五价元素（如磷）来增加材料的导电性能，P型掺杂则是通过掺入三价元素（如硼）来降低材料的导电性能。此外，杂质控制也是硅材料制备中的一个重要问题，过高的杂质含量会降低硅材料的电子迁移率和光吸收能力。 五、硅在集成电路中的应用 硅在集成电路中的应用已经达到了极高的水平。集成电路是由大量电子器件（如晶体管、电容器等）组成的微型芯片。硅是集成电路制造的主要材料，其制备过程包括晶圆制备、晶圆上电路图案的制作、器件制造等步骤。集成电路的应用范围非常广泛，涵盖了计算机、通信、消费电子等领域。 六、硅在太阳能电池中的应用 硅材料在太阳能电池中也有着重要的应用。太阳能电池是将太阳能转化为电能的器件。硅材料的能带结构使得其对太阳光的吸收率非常高，因此可以高效地将太阳光转化为电能。目前，主流的太阳能电池多采用硅晶体太阳能电池，其通过不同
硅半导体材料 硅半导体是一种常见的半导体材料，具有广泛的应用领域，包括电子、光电子、太阳能电池等。硅半导体的特性和制备工艺对其性能和应用具有重要影响，下面将对硅半导体材料的特性和制备工艺进行介绍。 首先，硅半导体材料具有良好的半导体特性。硅是周期表中的第14号元素， 具有4个价电子，可形成稳定的共价键晶体结构。在这种结构中，硅原子通过共享电子形成晶格，形成了半导体材料的基本结构。此外，硅半导体材料的能隙适中，具有较高的载流子迁移率和较低的禁带宽度，适合用于制备各种电子器件。 其次，硅半导体材料的制备工艺多样。常见的硅半导体制备工艺包括单晶硅生长、多晶硅生长、硅薄膜制备等。单晶硅生长是通过气相沉积或溶液法在单晶硅衬底上生长单晶硅薄片，具有高纯度和良好的晶体质量，适合用于集成电路和太阳能电池等高性能器件的制备。多晶硅生长是通过气相沉积或溶液法在多晶硅衬底上生长多晶硅薄片，具有较低的制备成本和良好的柔韧性，适合用于太阳能电池和柔性电子器件的制备。硅薄膜制备是通过物理气相沉积或化学气相沉积在玻璃或塑料基底上生长硅薄膜，具有较低的制备成本和良好的透明性，适合用于光电子器件和柔性电子器件的制备。 最后，硅半导体材料的应用广泛。硅半导体材料广泛应用于集成电路、光电子 器件、太阳能电池、传感器等领域。集成电路是利用硅半导体材料制备的微电子器件，具有高集成度、高性能和低功耗的特点，广泛应用于计算机、通信、消费电子等领域。光电子器件是利用硅半导体材料制备的光电探测器、激光器、光纤通信器件等，具有高灵敏度、高速度和低损耗的特点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。太阳能电池是利用硅半导体材料制备的光电转换器件，具有高转换效率和长寿命的特点，广泛应用于太阳能发电系统、户用光伏系统等领域。传感器是利用硅半导体材料制备的压力传感器、温度传感器、光学传感器等，具有高灵敏度、高稳定性和低成本的特点，广泛应用于汽车、工业、医疗等领域。
神奇的半导体探索硅的电子特性在现代科技领域，半导体材料扮演着至关重要的角色。作为一种重要的半导体材料，硅的电子特性一直备受关注。本文将探讨硅的电子特性以及与半导体相关的一些研究进展。 一、硅的基本特性 硅是一种化学元素，原子序数为14，原子量为28.0855。它是地壳中丰富的元素之一，常见于二氧化硅（SiO2）的形式。硅具有类似于碳的电子结构，它有四个价电子，使得硅原子可以与周围的原子形成共价键，从而构成晶体结构。 二、硅的晶体结构 硅的晶体结构具有高度有序性，常见的晶体结构有钻石型和闪锌矿型。晶体的结构对硅的电子特性有直接的影响。硅晶体在室温下属于间接能隙材料，这意味着在电子能带图中，价带和导带之间的最小能量差不发生在动量为零的点上。这种能隙结构使得硅可以具备半导体的特性。 三、硅的电子能带结构 硅的电子能带结构是理解硅的电子特性的关键。基于量子力学的研究，我们知道硅具有价带和导带两个主要能带。价带中的电子更接近原子核，能带之间的电子能量差较小。导带则更接近于晶体表面，能量较高。在室温下，硅的导带大部分是空的。
四、硅的半导体特性 硅作为一种半导体材料，具有独特的电子特性。在室温下，硅中的 电子不断地在价带和导带之间跃迁。当外界施加电场或温度变化时， 硅的电子跃迁会发生改变。这使得硅可以被用于制造各种半导体器件，如二极管、晶体管和太阳能电池等。 五、硅的掺杂与P-N结构 硅的掺杂是通过在硅晶体中加入其他元素来实现的。根据加入的元 素不同，可以分为N型掺杂和P型掺杂。N型掺杂是指在硅晶体中加 入杂质元素，如磷（P），从而使得硅晶体带负电荷的载流子（电子）。P型掺杂则是指加入杂质元素，如硼（B），使得硅晶体中带正电荷的 载流子（空穴）。通过将N型和P型的硅晶体组合在一起，就可以形 成P-N结构，进而实现半导体器件的制造。 六、硅的应用 硅作为一种半导体材料，在现代科技中应用广泛。硅芯片是计算机、手机和其他电子设备的基础。 此外，硅还被广泛用于太阳能电池、光纤通信等领域。更细微的研 究发现，硅在纳米尺度下也表现出了许多奇特的电子特性，这些特性 为未来纳米电子学和量子计算提供了巨大的潜力。 总结： 硅作为一种半导体材料，其电子特性的研究对现代科技的发展具有 重要意义。通过探索硅的电子能带结构和晶体结构，我们可以更好地
硅物理及化学性质 硅，原子序数14，原子量28.0855，硅有晶态和无定形两种形式。你知道硅的物理化学性质都是什么吗?下面是店铺为你整理的硅物理及化学性质，一起来看看吧。 硅的物理性质 性状：具有明显的金属光泽，呈灰色。结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。具有金刚石的晶体结构， 汽化热 384.22 kJ/mol 熔化热 50.55 kJ/mol 蒸气压 4.77 帕(1683K) 电负性 1.90(鲍林标度) 比热700 J/(kg·K) 电导率2.52×10-4 /(米欧姆) 热导率148 W/(m·K) 电离能：8.151电子伏特。 第一电离能 786.5 kJ/mol 第二电离能 1577.1 kJ/mol 第三电离能 3231.6 kJ/mol 第四电离能 4355.5 kJ/mol 第五电离能 16091 kJ/mol 第六电离能 19805 kJ/mol 第七电离能 23780 kJ/mol 第八电离能 29287 kJ/mol 第九电离能 33878 kJ/mol 第十电离能 38726 kJ/mol 硅的化学性质 硅有明显的非金属特性，可以溶于碱金属氢氧化物溶液中，产生(偏)硅酸盐和氢气。 硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外
有14个电子。电子在原子核外，按能级由低硅原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。 正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度;化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质(除氟化氢和碱液以外)发生反应;硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。 加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。 硅的制取方法 实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化硅，用稀酸洗去生成的氧化镁和镁粉，再用氢氟酸洗去未作用的二氧化硅，即得单质硅。这种方法制得的都是不够纯净的无定形硅，为棕黑色粉末。工业上生产硅是在电弧炉中还原硅石(SiO2含量大于99%)。使用的还原剂为石油焦和木炭等。使用直流电弧炉时，能全部用石油焦代替木炭。石油焦的灰分低(0.3%～0.8%)，采用质量高的硅石(SiO2大于99%)，可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。高纯的半导体硅可在1，200℃的热硅棒上用氢气还原高纯的三氯氢硅SiHCl3或SiCl4制得。超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法等制备。 用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。
半导体硅材料 半导体硅材料是一种常见的半导体材料，具有广泛的应用范围。硅材料是一种化学元素，符号为Si，原子序数为14。它是地 壳中第二多的元素，占据了总质量的约25%，是非金属元素 中最重要的一种。 半导体硅材料的电子构型为1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，具有四个价 电子。硅与其他元素形成化合物时，常以共价键形式，共享其四个价电子。共价键的形成使得硅材料具有一些特殊的电子性质，使其成为一种重要的半导体材料。 半导体硅材料有许多引人注目的特性。首先，硅材料的禁带宽度较窄，约为1.12电子伏特。这意味着在室温下，硅材料中 的电子和空穴数量相当，并且这些载流子可以通过外加电场加速。这使得硅材料在电子学和信息技术领域中得到广泛应用。 其次，硅材料具有较高的热导率和化学稳定性。这些特征使得硅材料在集成电路和太阳能电池等领域具有广泛的应用。硅材料的热导率使其能够有效地散热，保持设备的性能稳定。而化学稳定性使硅材料能够在极端环境下工作，不易受到腐蚀。 此外，硅材料还具有良好的机械性能和加工性能。硅材料既有足够的硬度和强度，又具有一定的延展性。这使得硅材料能够满足不同应用的需求，并便于进行微处理和加工。 半导体硅材料的应用非常广泛。在电子学中，硅材料被广泛用于制造半导体器件，如二极管、三极管和场效应晶体管。这些
器件在电子电路中实现了信号的放大、开关和控制。此外，硅材料还是集成电路的重要组成部分，使得各种电子设备变得更加紧凑、高效。 在太阳能电池技术中，硅材料是最重要的光电转换材料之一。太阳能电池利用硅材料的半导体性质将光能转化为电能。硅材料的高光吸收系数和较长的扩散长度使得其能够高效地吸收太阳光，并将光能转换为可用的电能。 总而言之，半导体硅材料是一种重要的半导体材料，具有独特的电子性质和优良的机械性能。它在电子学和太阳能电池等领域的广泛应用，使得硅材料成为现代科技领域中不可或缺的一部分。
硅的物理性质 硅（Si）是一种稀土元素，在元素周期表中位于第四组第14位，是显微镜下最重要的电子衍射介质之一。从科学的角度看，硅是一种无机化合物，也是最重要的半导体材料，在电子、机械、化工及其他领域都有广泛的应用。本文将对硅的物理性质做一概述。 硅的化学性质 硅具有稳定的四价离子性能，在溶剂中易溶解，它的溶解度依赖于溶剂的pH值。硅的氧化态为4，在pH大于8的环境下它的氧化态为2，在pH小于8的环境下它的氧化态为0。硅在低耐蚀环境中，形成不可逆的氧化反应，硅和水之间构成质子受体实现水分解，反应生成键类似于硅酸盐，可形成多重晶体状的化合物。 硅的钨酸盐 硅的钨酸盐，全称为硅钨酸盐，是由硅酸和氨基酸混合而成，主要作为陶瓷、建筑材料、玻璃、石膏等的材料组成成分，起关键作用。硅钨酸盐在高温下有较好的热稳定性，具有良好的韧性和机械强度，具有良好的抗冲击性能。它可以增强材料的耐火性，特别是可以增强氧化物的耐火性，从而可以改善材料性能和加工性能。 硅的物理性质 硅是一种稀有的无机物质，有高熔点，有较强的吸热性和抗热膨胀性能。硅因其电子衍射特性，广泛应用于电子衍射仪，也可以用于高温密封和元件制造，以及电路板外壳的制作等。硅的物理性质表明它具有良好的热稳定性，可以有效抗腐蚀，耐高温，耐低温，耐弯曲，
冲击强度及耐蚀性等优良品质。 综上所述，硅的物理性质非常丰富，它的化学性质及其钨酸盐的物理性质对工业和生活都有重要的意义，是先进材料的重要来源。硅及其衍生物的应用日益增加，可以实现经济高效和高精度制造，以满足社会经济发展的需要。 以上就是关于硅的物理性质的介绍，硅是重要的半导体材料，具有丰富的物理性质，在电子、机械、化工及其他领域有广泛的应用。
半导体材料硅的基本性质 硅是一种非金属元素，化学符号为Si，原子序数为14、它是地壳中 最丰富的元素之一，占地壳质量的27.7%。硅可以通过提炼石英矿石或冶 炼硅金属的方式制备。 硅具有许多独特的性质，使它成为一种重要的材料，特别是在半导体 工业中。 首先，硅是一种半导体材料。它的导电性介于导电体和绝缘体之间。 在室温下，纯硅是一种很差的导电体，但是通过掺杂（掺入少量其他元素）可以改变其导电性。例如，掺入五价元素磷可以形成n型硅材料，其中带 负电荷的电子成为主导载流子。掺入三价元素硼可以形成p型硅材料，其 中带正电荷的空穴成为主导载流子。通过将n型和p型硅材料叠加在一起，可以形成p-n结，该结构具有特殊的电学性质，用于制造各种半导体器件，例如二极管、晶体管和集成电路。 其次，硅具有高熔点和高热导率。硅的熔点为1414摄氏度，使得硅 在高温环境下稳定，并能够耐受高温工艺。此外，硅具有较高的热导率， 使得硅材料可以快速散热，避免电子器件因过热而损坏。 硅还具有良好的机械性能。它是一种坚硬而脆性的材料，在室温下具 有适度的弹性。硅的硬度约为Mohs硬度表中的7级，比大多数金属要硬。这使得硅在制造高精度、高稳定性的电子器件时具有优势。 此外，硅对氧化物具有很强的亲和力。当硅暴露在空气中时，其表面 会与空气中的氧气结合形成二氧化硅（SiO2）氧化膜。这一氧化膜可以保 护硅材料免受进一步的氧化侵蚀，并具有较高的电绝缘性能。这使得硅非 常适用于制造晶体管和其他微电子器件。
另外，硅是一种无毒、环境友好的材料。它在自然界中广泛存在，并且可以通过地球上的硅循环循环再利用。与其他材料相比，硅的生产使用非常少的能量资源，减少了对环境的负面影响。 总而言之，硅作为一种半导体材料，具有许多独特的性质，使其广泛应用于电子领域。它的引入极大地推动了现代科技和信息社会的发展。
硅的电学性质 半导体材料的电学性质特点：一是导电性介于导体和绝缘体之间,其电阻率约在10-4－1010Ω.cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光\热\磁)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当硅中掺入微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加,例如,向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(Ⅴ族元素:磷、砷、锑等)为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。 硅也存在不足之处，硅的电子迁移率比锗小。尤其比GaAs小。所以简单的硅器件在高频下工作时其性能不如锗或GaAs高频器件。此外，GaAs等化合物半导体是直接禁带材料，光发射效率高，是光电子器件的重要材料，而硅是间接禁带材料，由于光发射效率很低，硅不能作为可见光器件材料。 硅的化学性质 硅在自然界以化合物状态存在。硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。硅容易和氧、氮等物质发生作用，他可以在400℃与氧，在1000℃与氮进行反应。直拉法制备硅单晶时，要使用超纯石英坩锅。石英坩锅与硅熔体反应：
Si+ SiO2＝2SiO(1400℃)反应产物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在硅中，从而增加了熔硅中氧的浓度，是硅中氧的主要来源。硅的一些重要的化学性质如下： Si+O2＝SiO2 Si+2H2O= SiO2+2H2↑ 这两个反应是硅平面工艺中在硅表面生成氧化层的热氧化反应。二氧化硅十分稳定，这一特点是二氧化硅膜在器件工艺中起着极为重要的作用。由于SiO2膜容易热氧化生成以及可以通过化学腐蚀选择性去除，因此，能够使用光刻方法实现器件小型化，是精密结构变为现实Si+2CL2= SiCL4 Si+3HCL= SiHCL3+H2↑ 这两个反应是制造高纯硅的基本反应及材料。 硅对多数酸是稳定的。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸和王水。但硅却很容易被HF-HNO3的混酸所溶解。因此使用此类混酸作为硅的腐蚀液，反应式为： Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2↑+4H2O 在此反应式中HNO3作为氧化剂，没有氧化剂存在，HF就不容易与硅反应。 HF加少量的镉酸酐CrO3的溶液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂。硅和稀碱溶液作用也能显示硅中缺陷。硅和NaOH或KOH能直接作用生成相应的硅酸盐而溶于水中： Si+2NaOH＋H2O＝Na2SiO3+2H2↑。 硅与金属作用生成多种硅化物。TiO2、WSi、MoSi2等化物具有良
帀圭的基本性质 硅属元素周期表第三周期IV A族，原子序数14,原子量28・085。硅原子的电子排布为 ls^s^p^s^p2,原子价主要为4价，其次为2价，因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物，四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为25. 8%。硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为: 20为92. 23%, 29S1为4. 67%, 30S1为3. 10%。硅晶体中原子以共价键结合，并具有正四面体晶体学特征。在常压下，硅晶体具有金刚石型结构，晶格常数a=0. 5430niii,加压至15GPa,则变为面心立方型，a=0・6636miio 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，它的许多重要的物理化学性质，如表1.1 所示。 表1・1硅的物理化学性质（300K）Z7 性质符号单位硅⑶） 原子序数 原子呈或分子呈原子密度或分子密度晶体结构 品格常数 熔点熔化热蒸发热比热热导率（固/液） 线胀系数 沸点 密度（固/液） 临界温度 临界圧强硬度（摩氏/努氏） 弹性常数 表面张力 延展性折射率 体积压缩系数Z M a Tm L cp K P Tc Pc Y n 个/ cm3① A •c kJ/g kJ/g J/(g・K) W / (m・K) 1/K •c g / cm3 •c MPa N / cm niN / m m2 / N 14 28.085 5.00x10- 金刚石型 5.43 1420 1.8 16(熔点) 0.7 150(300K) / 46.84(熔点) 2.6x10^ 2355 2.329 /2.533 4886 53.6 6.5 / 950 C H： 16.704X106 Cn： 6.523 5 C44： 7.957x106 736(熔点) 脆性 3.87 0.98x10 小 ①木书中关于分子.原子.离子密度、浓度的单位简写为cm 3或cm3
半导体材料硅的基本性质 一.半导体材料 1.1固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下: 雄体------------ ----------- - 竽导体-------------- 峰体 图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1）二元化合物 GaAs —砷化钱 SiC —碳化硅 2）三元化合物 AlGa11As —砷化钱铝 AlIn11As —砷化锢铝 1.3半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（碑）的9型硅（b）带有受主（硼）的型硅 1.5掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二.硅的基本性质 1.1硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所/示。 性质符号单位硅（Si） 原子序数Z 14 原子量M 28.085 原子密度个/cm3 5.00X 1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a A 5.43 熔点Tm ℃1420 密度（固/液）P g/ cm3 2.329/2.533 介电常数£ 11.9 本征载流子浓度n 个/ cm3 1.5X1010 本征电阻率P i Q - cm 2.3X105 电子迁移率R n cm2/(V , S) 1350 W）带有受主（潮）的P型瑙的图
第一章硅的基本性质 硅属元素周期表第三周期ⅣA族，原子序数l4，原子量28．085。硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2，原子价主要为4价，其次为2价，因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物，四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为25．8％。硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为：28Si为92．23％，29Si为4．67％，30Si为3．10％。硅晶体中原子以共价键结合，并具有正四面体晶体学特征。在常压下，硅晶体具有金刚石型结构，晶格常数a=0．5430nm，加压至l5GPa，则变为面心立方型，a=0．6636nm。 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，它的许多重要的物理化学性质，如表1．1 所示。 表1．1 硅的物理化学性质(300K)[4，6] ①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为cm-3或cm-2。
续表性质符号单位硅(Si) 磁化率 德拜温度 介电常数 本征载流子浓度本征电阻率 电子迁移率 空穴迁移率 电子有效质量 空穴有效质量 电子扩散系数 空穴扩散系数 禁带宽度(25℃) 导带有效态密度价带有效态密度器件最高工作温度 χ θD ε0 n i ρi μn μp m n﹡ m p﹡ D n D p E g(△W e) N c N v 厘米-克-秒电磁制 K 个／cm3 Ω·cm cm2／(V·s) cm2／(V·s) g g cm2／s cm2／s eV cm-3 cm-3 ℃ -0.13×10-6 650 11.9 1.5×1010 2.3×l05 1350 480 m n﹡‖= 0.92m0 m n﹡⊥= 0.19m0(1.26K) m h﹡p= 0.59m0 m l﹡p =0.16m0(4K) 34.6 12.3 1.11 2.8×1019 1.04×1019 250 1．1 硅的基本物理和化学性质 1．1．1 硅的电学性质 半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点，一是导电性介于导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光、热、磁等)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，例如，向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(v 族元素：磷、砷、锑等)为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质(Ⅲ族元素：硼、铝、镓等)为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。 硅和锗作为元素半导体，没有化合物半导体那样的化学计量比问题和多组元提纯的复杂性，因此在工艺上比较容易获得高纯度和高完整性的Si、Ge单晶。硅的禁带宽度比锗大，所以相对于锗器件而言硅器件的结漏电流比较小，工作温度比较高(250℃)(锗器件只能在150℃以下工作)。此外，地球上硅的存量十分丰富，比锗的丰度(4×10-4％)多得多。所以，硅材料的原料供给可以说是取之不尽的。60年代开始人们对硅作了大量的研究开发，在电子工业中，硅逐渐取代了锗，占据了主要的地位。自1958年发明半导体集成电路以来，硅的需求量逐年增大，质量也相应提高。现在，半导体硅已成为生产规模最大、单晶直径最大、生产工艺最完善的半导体材料，它是固态电子学
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第一章硅的基本性质 硅属元素周期表第三周期ⅣA族，原子序数l4，原子量28．085。硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2，原子价主要为4价，其次为2价，因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物，四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为25．8％。硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为：28Si为92．23％，29Si为4．67％，30Si为3．10％。硅晶体中原子以共价键结合，并具有正四面体晶体学特征。在常压下，硅晶体具有金刚石型结构，晶格常数a=0．5430nm，加压至l5GPa，则变为面心立方型， a=0．6636nm。 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，它的许多重要的物理化学性质，如表1．1 所示。 表1．1 硅的物理化学性质(300K)[4，6] ①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为cm-3或cm- 2。
续表性质符号单位硅(Si) 磁化率 德拜温度 介电常数 本征载流子浓度本征电阻率 电子迁移率 空穴迁移率 电子有效质量 空穴有效质量 电子扩散系数 空穴扩散系数 禁带宽度(25℃) 导带有效态密度价带有效态密度器件最高工作温度 χ θD ε0 n i ρi μn μp m n﹡ m p﹡ D n D p E g(△W e) N c N v 厘米-克-秒电磁制 K 个／cm3 Ω·cm cm2／(V·s) cm2／(V·s) g g cm2／s cm2／s eV cm-3 cm-3 ℃ ×10-6 650 ×1010 ×l05 1350 480 m n﹡‖= m n﹡⊥= m h﹡p= m l﹡p = (4K) ×1019 ×1019 250 1．1 硅的基本物理和化学性 质 1．1．1 硅的电学性质 半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点，一是导电性介于导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光、热、磁等)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，例如，向硅中掺入亿分之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。当硅中掺杂以施主杂质(v 族元素：磷、砷、锑等)为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质(Ⅲ族元素：硼、铝、镓等)为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN 结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。 硅和锗作为元素半导体，没有化合物半导体那样的化学计量比问题和多组元提纯的复杂性，因此在工艺上比较容易获得高纯度和高完整性的Si、Ge单晶。硅的禁带宽度比锗大，所以相对于锗器件而言硅器件的结漏电流比较小，工作温度比较高(250℃)(锗器件只能在150℃以下工作)。此外，地球上硅的存量十分丰富，比锗的丰