下载文档原格式
必修1第四章 非金属及其化合物 第一节 无机非金属材料的主角——硅（第一、二课时）学导单命制人：韩晴 命制时间：2013.12.25导入：2009年诺贝尔物理学奖获得者、华裔科学家、有着“光纤之父”美称的高锟博士在光纤研究方面的伟大成就与本节课的内容有极大关系，这就让我们更加迫切地想知道：能让高锟博士获得代表科学界至高无上荣誉——诺贝尔奖的“光纤”，到底是一种什么样的物质呢?诺贝尔奖是科学界一年的大事，而获奖的又是一位华裔科学家，这种爱国情结自然更容易引起同学们的兴趣。
----巧妙应用社会关注的热点和话题导入课堂，会取得不错的效果。
一、学习目标1．知识与技能：使学生掌握硅的两种重要化合物——二氧化硅及硅酸的主要性质并了解其用途；了解硅酸盐的重要用途及组成；了解硅在自然界中的含量、存在、物理性质及重要用途。
2．过程与方法：引导学生对比学习硅的化合物（二氧化硅及硅酸）与碳的化合物（二氧化碳及碳酸），培养学生对新旧知识对比分析、归纳总结的学习方法；3．情感态度与价值观：使学生了解二氧化硅、硅酸、硅及硅酸盐在日常生活、生产中的应用，感受化学的实用性，增强学习化学的兴趣，认识“科学技术是第一生产力”，增强社会责任感。
二、学习重难点：二氧化硅和硅酸的性质；认识到硅酸盐工业与人类生产、生活密切相关。
三、学习过程[碳和硅在自然界中的存在形式] 小结：（1）两元素的共性：在化学反应中其原子既不易失电子也不易得电子，主要形成共价（四价）化合物。
（2）硅是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧相互化合的。
一、二氧化硅和硅酸 （一）二氧化硅（SiO 2）1.存在:地球上存在的天然二氧化硅约占地壳总质量的 ；其存在形态有 和两大类，统称 。
2.结构：(1)SiO 2晶体的基本结构单元呈 形，每个Si 原子周围结合 个O ，每个O 原子跟 个Si 相结合，Si 与O 原子按 的比例组成 的晶体。
(2)石英晶体是结晶的 ，石英中无色透明的晶体叫 ，具有彩色环带状或层状的称为 ，沙子中含有小粒的 晶体。
硅材料及其光伏应用讲解硅材料是一种非金属元素，其原子序数为14，化学符号为Si。
它是地壳上最常见的元素之一，占地壳质量的27.7%。
硅材料具有许多优异的物理和化学性质，因此被广泛应用于各个领域，其中包括光伏应用。
硅材料是一种典型的半导体材料。
在晶体结构中，硅原子与相邻的四个硅原子通过共价键连接在一起，形成了一个稳定的晶格结构。
这种结构使得硅具有很好的导电性能。
然而，硅材料的导电性相对较差，属于半导体材料。
这意味着硅材料的电导率介于导体和绝缘体之间，在适当的条件下可以被控制和调节。
硅材料的最重要的光伏应用是太阳能电池。
太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的器件，其中硅材料是最常用的光伏材料之一、太阳能电池的工作原理是利用光的能量将硅材料中的电子激发到导带，从而形成电流。
具体来说，当光束照射在太阳能电池的硅材料上时，光子的能量会激发硅材料中的电子，使其跃迁到导带。
然后，这些激发的电子会在导带中自由移动，形成电流。
通过连接导线，太阳能电池可以将这个电流输出给外部负载，如电灯或电器设备。
太阳能电池的效率取决于硅材料的纯度和晶体结构。
在制造太阳能电池时，要选择高纯度的硅材料，以减少杂质的影响。
此外，硅材料的晶体结构也会影响太阳能电池的效率。
单晶硅具有最完整的晶体结构，因此能够产生更高的电池效率。
多晶硅和非晶硅也常用于制造太阳能电池，它们虽然效率稍低，但成本更低。
此外，还有一种新型的太阳能电池材料，叫做多结太阳能电池，它是由多个不同材料层叠在一起制成的。
这种材料能够利用更广泛的光谱范围，提高太阳能电池的效率。
除了太阳能电池，硅材料还用于其他光伏应用，如光伏电池板、光伏电池片等。
光伏电池板是将多个太阳能电池连接在一起制成，以获得更高的电压和功率输出。
光伏电池片是太阳能电池的基本单元，由硅材料制成，其工作原理与太阳能电池相同。
总的来说，硅材料是一种重要的光伏材料，被广泛应用于太阳能电池和其他光伏设备中。
随着对可再生能源需求的增加，硅材料的光伏应用将会继续扩大。
导体：导体是很容易导电的物质，电阻率约为10-6-10-8Ωcm,绝缘体：极不容易或根本不导电的一类物质。
半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，目前已知的半导体材料有几百种，适合工业化的重要半导体材料有：硅、锗、砷化镓、硫化镉，电阻率介于10-5-1010Ω（少量固体物质如砷、锑、铋，不具备半导体基本特性，叫做半金属。
冶金级硅（工业硅）：将自然级自然界的SI02矿石冶炼成元素硅的第一步，冶金级硅分为两类：1、供钢铁工业用的工业硅，硅含量约为75%。
2、供制备半导体硅用，硅含量在99.7%-99.9%，它常用作制备半导体级多晶硅的原料。
多晶硅：1、改良西门子法，2、硅烷法，3、粒状硅法。
改良西门子法：多晶硅生产的西门子工艺，在11000C左右德高纯度硅芯上还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。
过程：1、原料硅破碎；2、筛分（80目）——沸腾氯化制成液态的SIHCL3——粗馏提纯——精馏提纯——氢还原——棒状多晶硅——破碎——洁净分装。
硅烷法：原料破碎——筛分——硅烷生成——沉积多晶硅——棒状多晶——破碎、包装。
单晶硅：硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体，纯度要求达到99.9999%甚至达到99.9999999%用于制造半导体器件、太阳能电池等。
区域熔炼法：制备高纯度、高阻单晶的方法。
切克劳斯基法（直拉法）：制作大规模集成电路、普通二极管和太阳能电池单晶的使用方法。
硅棒外径滚磨：将单晶滚磨陈完全等径的单晶锭。
硅切片：硅切片是将单晶硅原锭加工成硅圆片的过程（内圆切片机刀口厚度在300-350um，片厚300-400um。
线切机刀口厚度不大于200u，片最薄可达200-250u.）.硅磨片：一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50-100u，用磨片的方法去除硅片表面的划痕，污渍和图形，提高硅片表面平整度。
用内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。
硅材料生产技术实验讲义光伏材料教研室编(内部资料)2012.02目录实验一少子寿命检测仪 (1)一、实验目的 (4)二、实验原理 (4)三、实验器材 (4)四、实验内容 (5)五、实验报告要求 (5)实验二硅片碳氧含量检测实验 (1)一、实验目的 (1)二、实验原理 (1)三、实验器材 (2)四、实验内容 (2)五、实验报告要求 (3)实验三四探针法测量半导体材料的电阻率和方块电阻 (5)一、实验目的 (6)二、实验原理 (6)三、实验器材 (7)四、实验内容 (7)五、实验报告要求 (8)实验一硅片碳氧含量检测实验一、实验目的1. 了解硅片中碳、氧原子的杂质类型及危害；2. 理解傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的工作原理；3. 熟悉ECO/RS硅片碳氧含量测试仪的使用方法。
二、实验原理1. 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）工作原理傅里叶变换红外光谱仪主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。
核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行傅里叶变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。
当两束光的光程差为半波长（λ/2）的偶数倍时，则落在检测器上的光干涉增强，产生明线，光强取极大值；相反，当两束光的光程差为半波长（λ/2）的奇数倍时，则落在检测器上的光干涉抵消，产生暗线，光强取极小值。
图2-1 傅里叶变换红外光谱仪工作原理示意图2. 硅片中的碳、氧杂质硅中的氧主要由石英坩埚的溶解而引入。
高温下的熔硅会和它与接触的石英坩埚壁反应，使石英溶解，石英中的氧溶入熔硅。
在实际的生长系统中，由石英溶解进来的氧绝大部分被带到暴露的表面挥发走，只有很小部分（大约2%）进入硅晶体。
随着晶体生长后的冷却，这些氧原子逐渐处于过饱和状态，以填隙原子的形式存在于硅晶格中，与周围的硅原子形成Si-O键，并使周围晶格发生形变。
有关氧原子结合的最早发现的一个现象就是热施主效应：含有氧的硅单晶在350~500℃之间（在450℃时最强）热处理几小时后，可发现n型样品的电阻率降低，p型样品电阻率升高（有时甚至转型），犹如产生了一定数量的施主。
硅材料国家重点实验室硅材料国家重点实验室是我国重要的科研机构之一，致力于硅材料领域的研究和开发。
实验室拥有一支高水平的科研团队，拥有先进的实验设备和技术平台，为硅材料的研究提供了有力支持。
在过去的几十年里，实验室在硅材料领域取得了许多重要的成果，为我国的科技发展做出了重要贡献。
硅材料国家重点实验室主要的研究方向包括硅材料的制备、性能表征、应用研究等。
在硅材料的制备方面，实验室致力于开发新的制备工艺和方法，提高硅材料的纯度和晶体质量，以满足不同领域的需求。
在硅材料的性能表征方面，实验室拥有先进的测试设备和手段，可以对硅材料的结构、光学、电学等性能进行全面的表征和分析。
在硅材料的应用研究方面，实验室与国内外的企业和科研机构合作，开展了许多前沿的应用研究工作，推动了硅材料在光电子、半导体、光伏等领域的应用。
硅材料国家重点实验室注重基础研究和应用研究的结合，既注重科学原理的探索，又注重技术创新和产业化应用。
实验室的研究成果不仅在学术界具有重要影响力，也在工业界产生了广泛的应用和推广。
硅材料国家重点实验室与国内外的高校、科研机构和企业保持着密切的合作关系，共同推动硅材料领域的发展和进步。
硅材料国家重点实验室的科研团队由一批具有丰富经验和高水平的科研人员组成，他们在硅材料领域具有深厚的造诣和丰富的实践经验。
实验室还拥有一批年轻有为的科研人才，他们积极投身于硅材料领域的研究工作，为实验室的发展注入了新的活力和动力。
硅材料国家重点实验室将继续致力于硅材料领域的研究和开发，不断推动硅材料领域的科技创新和产业发展。
实验室将继续坚持“科研、产业、应用”三位一体的发展模式，不断加强与国内外相关领域的合作与交流，努力为我国硅材料领域的发展做出更大的贡献。
总之，硅材料国家重点实验室在硅材料领域的研究和开发方面具有重要地位和作用，将继续发挥引领作用，推动硅材料领域的发展和进步。
硅材料基础知识主要内容：一、概述二硅的结构、分类与来源三硅的物理性质、硅的化学性质五、硅的物理参数及测量六、硅的应用及注意事项一、概述硅材料的基础知识，课程包括较多，有固体物理、量子力学、半导体物理、半导体化学、半导体器件工艺、半导体材料等方面的知识；内容较多，如半导体电子状态和能级、载流子的发布、导电性、非平衡载流子、P-N结、金属与半导体的接触、表面理论、光电效应、磁电效压阻效应、异质结等。
这里只介绍半导体材料的最基本的内容。
1、材料按导电性能划分，可分为：导体、绝缘体、半导体三类。
导体——容易导电的材料。
如各种金属、石墨等。
一般的，电阻率0.2Q・cm 绝缘体——很难导电的材料。
如橡胶、玻璃、背板、EVA、SiO2、Si3N4等。
—般的，电阻率＞20000Q・cm半导体——介于两者之间的材料。
如Si、Ge、GaAs、ZnO等，它具有一些独特的性质。
注：a、金属靠电子导电，溶液靠离子导电，半导体导电靠电子或空穴导电。
b、空穴就是电子的缺少。
2、半导体材料，按组成结构可分为：元素半导体、化合物半导体、非晶半导体、有机半导体。
3、半导体器件对材料的要求：3.1禁带宽度适中（一般0.5 ~ 1.5电子伏，硅是1.08）3.2载流子迁移率高（一般1000 ~ 5000cm2/V-s ）3.3纯度高3.4电阻率要求可靠、均匀（一般0.001 ~ 100000，硅本征2.3x105）3.5晶体的完整性二硅的结构,分类与来源1、硅的原子理论1.1元素周期表中，第三周期、第IVA族元素，原子序数14,原子量28 电子排布1S22S22P63S23P2，化合价为+ 4价（+2价）1.2 硅有三种同位素28Si : 92.21%、29Si:4.70%、30Si :3.09%、1.3晶体结构：金刚石结构（正四面体），原子间以共价键结合。
由于外围电子全部形成共价键，结合力较强。
可画出硅的共价键结构示意图。
2、硅的分类2.1按纯净度划分：粗硅、提纯硅、高纯硅、掺杂硅2.2按晶体结构分：单晶硅.多晶硅单晶硅：在晶体中，组成的原子按一定规则呈周期性排列。
基础知识硅材料范文硅材料是一种重要的功能材料，具有广泛的应用领域。
本文将介绍硅材料的基础知识，包括硅材料的结构、制备方法、性质和应用等方面内容。
硅材料是以硅元素为主要成分的材料，常见的硅材料有单质硅、二氧化硅和硅合金等。
其中，单质硅是一种非金属元素，化学符号为Si，原子序数为14，是地壳中含量第二多的元素，其含量仅次于氧元素。
硅材料的结构特点是硅原子通过共价键连接形成晶体结构，硅原子在晶体中呈面心立方最密堆积的方式排列。
硅原子与四个邻近原子形成四面体结构，硅原子与四面体中心形成的键称为硅键。
硅键是一种非常坚固的键，使得硅材料具有较高的熔点、硬度和抗氧化性能。
硅材料的制备方法多种多样，常用的方法主要包括熔融法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法等。
熔融法是将硅矿石与还原剂（如木炭）混合熔融，然后通过冷却析出单质硅。
化学气相沉积法是通过将硅源气体（如硅气）引入到高温反应炉中，再通过化学反应形成硅材料。
溶胶-凝胶法是将硅有机化合物溶解在溶剂中，形成溶胶，然后通过热处理将溶胶凝胶成硅材料。
硅材料具有许多优良的性质，主要包括热稳定性、电性能和光学性能。
硅材料具有较高的熔点和热导率，能够在高温环境下保持稳定性。
硅材料具有较高的电阻率和较低的介电常数，适用于电子器件的制作。
硅材料的折射率较低，透光性好，因此常用于制作光学器件。
硅材料的应用广泛，主要包括电子器件、太阳能电池和光学器件等方面。
硅材料是制造电子器件的基础材料，可以制作各种微电子元件，如晶体管、集成电路等。
硅材料是制造太阳能电池的主要材料，太阳能电池将太阳能转化为电能，硅材料的光电转换效率较高，因此适用于太阳能电池的制作。
此外，硅材料也常用于制作光学器件，如光纤、半导体激光器等。
综上所述，硅材料是一种重要的功能材料，具有较高的熔点、硬度和抗氧化性能。
硅材料的制备方法多种多样，常用的方法包括熔融法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法等。
硅材料具有热稳定性、电性能和光学性能等优良的性质。
高性能硅材料的制备与性能分析随着科学技术的不断进步，高性能材料的研究和应用变得越来越重要。
在众多材料当中，硅材料可谓是一种应用广泛的重要材料。
硅材料有着良好的导电性、机械性能以及化学稳定性，因此在电子器件领域、太阳能电池领域以及化学工业等方面有着广泛应用。
本文将探讨高性能硅材料的制备和性能分析相关内容。
首先，高性能硅材料的制备方法可以有多种选择，包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法以及物理气相沉积法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用且经济高效的制备方法。
该方法通过将硅前体溶解在溶剂中形成溶胶，然后通过加热和凝胶处理将溶胶转化为凝胶。
最后，通过热处理将凝胶转化为硅材料。
这种方法制备的硅材料具有高纯度和较小的晶粒尺寸，因而具有较好的性能。
其次，高性能硅材料的性能分析主要包括物理性能和化学性能两个方面。
物理性能分析可通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线衍射（XRD）等技术来实现。
SEM和TEM可以用来观察硅材料的形貌和微观结构，XRD可以用来分析硅材料的结晶度和晶体结构。
通过这些技术的应用，可以了解硅材料的形貌、晶粒尺寸以及晶体结构等信息。
化学性能分析可通过拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术来实现。
这些技术可以用来表征硅材料的化学键信息和成分分布情况，从而了解硅材料的化学性质。
此外，高性能硅材料的性能分析还可以包括电学性能和光学性能等方面。
电学性能主要通过四探针法、霍尔效应测量以及电容-电压曲线测量等技术来实现。
通过这些技术的应用，可以了解硅材料的电阻率、载流子浓度以及载流子迁移率等电学性能参数。
光学性能主要通过紫外可见吸收光谱和荧光光谱等技术来实现。
这些技术可以用来分析硅材料的光吸收和光发射行为，研究其能带结构和能级分布情况。
最后，高性能硅材料的应用前景非常广阔。
在电子器件领域，高性能硅材料可用于制备储能电池、传感器和微电子器件等。
在太阳能电池领域，高性能硅材料可以用于制备高效率的光伏电池。
硅材料加工及应用技术硅材料是一类重要的半导体材料，具有广泛的应用领域。
硅材料加工及应用技术可以分为硅晶体生长、硅材料加工工艺和硅材料的应用等方面。
下面将分别对这些方面进行详细阐述。
一、硅晶体生长技术硅晶体生长是硅材料制备的关键步骤之一，主要有单晶生长和多晶生长两种技术。
1. 单晶生长技术单晶生长技术是指将硅溶液或硅气体经过特殊方法制备成单晶硅。
常用的单晶生长方法有Czochralski法和区域熔融法。
Czochralski法是最常用的单晶生长方法之一，其原理是将高纯度的硅溶液放入铂或石英制成的坩埚中，然后通过在溶液表面引起温度梯度和晶体的旋转，使得溶液中的硅晶体逐渐生长。
区域熔融法是另一种重要的单晶生长方法，其原理是在硅晶体的腔中创建高温区域，通过控制高温区域的形态和移动，使得硅晶体逐渐生长。
2. 多晶生长技术多晶生长技术是指将硅溶液或硅气体制备成多晶硅。
常用的多晶生长方法有气相沉积法和溶液抛光法。
气相沉积法是一种多晶生长技术的主要方法，其原理是通过将硅气体在高温下分解成硅原子，并沉积在基底上形成多晶硅。
溶液抛光法是一种新兴的多晶生长技术，其原理是通过将硅溶液注入到特殊的设备中，通过机械抛光的方式在硅基底上形成多晶硅。
二、硅材料加工工艺硅材料加工工艺主要包括切割、研磨、抛光等过程。
1. 切割硅材料的切割主要是将大块的硅晶体切割成所需尺寸的晶片。
常用的切割方法有线锯切割和酸蚀切割。
线锯切割是一种常见的切割方法，其原理是通过用金刚石线锯将硅晶体切割成所需的尺寸。
酸蚀切割是另一种切割方法，其原理是通过在硅晶体上涂覆一层保护膜，然后将硅晶体浸入酸液中，使其被酸蚀，从而实现切割。
2. 研磨与抛光硅材料的研磨与抛光主要是为了获得光滑的表面，常用的方法有机械研磨和化学机械抛光。
机械研磨是通过使用研磨机械将硅材料的表面进行机械研磨，以去除表面的不均匀性和缺陷。
化学机械抛光是一种将硅材料的表面进行化学和机械结合的处理方法，其原理是通过在硅材料上涂覆一层化学溶液，然后使用机械研磨机械进行抛光，以获得光滑的表面。
