• 硅的物化性质及分类



• 硅的物理性质

• 硅，元素符号Si，原子序数14，原子量28.086，位于第三周期第IVA族，共价半径117皮米，离子半径42皮米，第一电离能786.1kJ/mol，电负性1.8，密度2.33g/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，硬度7。元素硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体。无定形硅为黑色；晶体硅呈钢灰色，有明显的金属光泽、晶格和金刚石相同，硬而脆，能导电，但导电率不如金属且随温度的升高而增加，属半导体。在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力下，产生滑移位错，形成塑性变形。硅材料还具有一些特殊的物理性质，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。
• 作为半导体材料，硅具有典型的半导体材料的电学性质。
• (1)阻率特性 硅材料的电阻率在10-5~1010Ω•cm之间，介于导体和绝缘体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征半导体，电阻率在10Ω•cm以上。
• (2)PN结特性 N型硅材料和P型硅材料相连，组成PN结，这是所有硅半导体器件的基本结构，也是太阳电池的基本结构，具有单向导电性等性质。
• (3)光电特性 与其他半导体材料一样，硅材料组成的PN结在光作用下能产生电流，如太阳电池。但是硅材料是间接带隙材料，效率较低，如何提高硅材料的发电效率正是目前人们所追求的目标。
• 同位素
• 硅（原子质量单位: 28.0855）共有23种同位素，其中有3种天然的稳定同位素Si(92.2%)、Si(4.7%)和Si(3.1%)，还有质量数为25、26、27、31和32的人工放射性同位素。

• 硅的化学性质

• 低温时单质硅不活泼，不与空气、水和酸反应。室温下表面被氧化形成1000皮米二氧化硅保护膜。高温时能跟所有卤素反应，生成四卤化硅，跟氧气在700℃以上时燃烧生成二氧化硅。跟氯化氢气在500℃时反应，生成三氯氢硅SiHCl3和氢气。高温下能跟某些金属(镁、钙、铁、铂等)反应，生成硅化物。赤热时跟水蒸气反应生成二氧化硅和氢气。跟强碱溶液反应生成硅酸盐放出氢气。跟氢氟酸反应生成四氟化硅。

• 硅的分类

• 按纯度可分为：工业硅、太阳能级硅、电子级硅。
• 按掺杂类型分为：本征硅、P型硅、N型硅。
• 按晶体类型分为：单晶硅、多晶硅、非晶硅。

• 晶态硅与非晶态硅的结构

• 硅按照晶体形态分为晶态和非晶态两种，晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，不同形态的硅材料具备不同的结构。
• （1）单晶硅的结构
• 单晶硅即硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体材料。用于制造半导体器件，太阳能电池等。是采用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成的。熔融的单晶硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
• 单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，但导电率不及金属，随着温度增加，具有半导体性质。如图7-6所示
• （2）多晶硅的结构
• 多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石 晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
• 多晶硅具有灰色金属光泽，熔点1410℃。沸点2355℃。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。在高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。
• （3）非晶硅的结构
• 非晶硅又称无定形硅。单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体，不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。
• 非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效应晶体管；用于液晶显示器件、集成式a—Si倒相器、集成式图象传感器、以及双稳态多谐振荡器等器件中作为非线性器件；利用非晶硅膜可以制成各种光敏、位敏、力敏、热敏等传感器；利用非晶硅膜制做静电复印感光膜，不仅复印速率会大大提高，而且图象清晰，使用寿命长；等等。目前非晶硅的应用正在日新月异地发展着，可以相信，在不久的将来，还会有更多的新器件产生。
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