硅是什么?可控硅又是什么?

硅是什么?可控硅又是什么?,第1张

硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中。如果说碳是组成生物界的主要元素,那么,硅就是构成地球上矿物界的主要元素。

硅在地壳中的丰度为27.7%,在所有的元素中居第二位,地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2,占地壳总质量的87%。

我们脚下的泥土、石头和沙子,我们使用的砖、瓦、水泥、玻璃和陶瓷等等,这些我们在日常生活中经常遇到的物质,都是硅的化合物。硅,真是遍布世界,俯拾即是的元素。

单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,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,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。

硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅,它们均具有金刚石晶格,晶体硬而脆,具有金属光泽,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。晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密无定形硅是一种黑灰色的粉末。

硅的化学性质

硅在常温下不活泼,其主要的化学性质如下:

(1)与非金属作用

常温下Si只能与F2反应,在F2中瞬间燃烧,生成SiF4.

Si+F2 === Si+F4

加热时,能与其它卤素反应生成卤化硅,与氧反应生成SiO2:

Si+2F2 SiF4 (X=Cl,Br,I)

Si+O2 SiO2 (SiO2的微观结构)

在高温下,硅与碳、氮、硫等非金属单质化合,分别生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等.

Si+C SiC

3Si+2N2 Si3N4

Si+2S SiS2

(2)与酸作用

Si在含氧酸中被钝化,但与氢氟酸及其混合酸反应,生成SiF4或H2SiF6:

Si+4HF SiF4↑+2H2↑

3Si+4HNO3+18HF === 3H2SiF6+4NO↑+8H2O

(3)与碱作用

无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐,并放出氢气:

Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑

(4)与金属作用

硅还能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合,生成相应的金属硅化物。

硅的用途

①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造

第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

③光导纤维通信,最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,激光在玻璃纤维的通路里,无数次的全反射向前传输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输256路电话,它还不受电、磁干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。光纤通信将会使 21世纪人类的生活发生革命性巨变。

聚氧硅材料的应用1

④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑,便是经过有机硅塑料处理表面的,因此永远洁白、清新。

硅橡胶具有良好的绝缘改组,长期不龟裂、不老化,没有毒性,还可以作为医用高分子材料。

硅油,是一种很好的润滑剂,由于它的粘度受温度变化的影响小,流动性好,蒸气压低,在高温或寒冷的环境中都能使用。硅元素进入有机世界,将它优异的无机性质揉进有机物里,使有机硅化合物别具一格,开辟了新的领域。

、“可控硅”是一种大功率半导体器件,它能控制较大的电流和功率,用来进行电机调速、电镀、电解、充电、励磁、恒温、调压、稳压、无触点开关、变频等作用。

3、工作原理http://www.zbpe.com/zs/yl.html

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解析:

“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。

在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。

“power”这个词可译为动力、能源、功率等,而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展,“power”的翻译发生了变化。

从上世纪六七十年代至八十年代初,功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电,以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等,这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此,当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件,而是译为电力电子器件,并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学,而是译为电力电子技术。与此同时,与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会,而中国电子学会并没有与之相应的分学会;其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部,这些都是顺理成章的。实际上从直译看,国外并无与电力电子相对应的专业名词,即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外,当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路,并不归属于电力电子行业,而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。

20世纪80年代以后,功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET,常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC,常简写为PIC)为主。

这一转变的主要原因是,这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作,而电路在高频工作时能更节能、节材,能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip,简写PSOC),它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上,使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能,其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。

(1)热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高,半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗(Ge),温度每升高10度,其电阻率就会减少到原来的一半。

(2)光电特性 很多半导体材料对光十分敏感,无光照时,不易导电;受到光照时,就变的容易导电了。例如,常用的硫化镉半导体光敏电阻,在无光照时电阻高达几十兆欧,受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管,它通过电流时能够发光,把电能直接转成光能。目前已制作出发黄,绿,红,蓝几色的发光二极管,以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的而清洁的能源。

(3)搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极微量的“杂质”元素后,其导电能力会发生极为显著的变化。例如,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米,若掺入百万分之一的硼元素,电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此,人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上,半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同,更重要的是半导体具有独特的性能(特性)。

1. 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质,半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如,晶体管就是利用这种特性制成的。

2. 当环境温度升高一些时,半导体的导电能力就显著地增加;当环境温度下降一些时,半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”,热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3. 当有光线照射在某些半导体时,这些半导体就像导体一样,导电能力很强;当没有光线照射时,这些半导体就像绝缘体一样不导电,这种特性称为“光敏”。例如,用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等,就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见,温度和光照对晶体管的影响很大。因此,晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后,明确一个基本概验:所谓半导体材料,是一种晶体结构的材料,故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过,在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质,能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型:一种杂质加到半导体中去后,在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子,这种半导体叫做“N型半导体”(也叫“电子型半导体”);另一种杂质加到半导体中后,会产生大量带正电荷的“空穴”,这种半导体叫“P型半导体”(也叫“空穴型半导体”)。例如,在纯净的半导体锗中,加入微量的杂质锑,就能形成N型半导体。同样,如果在纯净的锗中,加入微量的杂质铟,就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体(有大量的带正电荷的空穴)和N型半导体(有大量的带负电荷的自由电子)结合在一起,见图1所示。

图1

在P型半导体的N型半导体相结合的地方,就会形成一个特殊的薄层,这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的(见图1)。

例如,收音机中应用的晶体二极管,其触丝(即触针)部分相当于P型半导体,N型锗片就是N型半导体,他们之间的接触面就是PN结。P端(或P端引出线)叫晶体二极管的正端(也称正极)。N端(或N端引出线)叫晶体二极管的负端(也称负极)。

如果像图2那样,把正端连接电池的正极,把负端接电池的负极,这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此,通过PN结的电流(I=U/R)就很大。这样的连接方法(图2a)叫“正向连接”。正向连接时,晶体管二极管(或PN结)两端承受的电压叫“正向电压”;处在正向电压下,二极管(或PN结)的电阻叫“正向电阻”,在正向电压下,通过二极管(或PN结)的电流叫“正向电流”。很明显,因为晶体二极管的正向电阻很小(几百欧姆),在一定正向电压下,正向电流(I=U/R)就会很大----这表明在正向电压下,二极管(或PN结)具有像导体一样的导电本领。

图2a 图2b

反过来,如果把P端接到电池的负极,N端接到电池的正极(见图2b)。这时PN结的电阻很大(大到几百千殴),电流(I=U/R)几乎不能通过二极管,或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时,晶体管二极管(或PN结)两端承受的电压叫“反向电压”;处在反向电压下,二极管(或PN结)的电阻叫“反向电阻”,在反向电压下,通过二极管(或PN结)的电流叫“反向电流”。显然,因为晶体二极管的正向电阻很大(几百千欧姆),在一定的反向电压下,正向电流(I=U/R)就会很小,甚至可以忽略不计,----这表明在一定的反向电压下,二极管(或PN结)几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论:晶体二极管(或PN结)具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表,在电路中常用图3的符号表示,即表示电流(正电荷)只能顺着箭头方向流动,而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流(将交流电变成直流电)和检波(从高频或中频电信号取出音频信号)以及变频(如把高频变成固定的中频465千周)等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容,叫做“极间电容”(如图4所示)。由于电容抗随频率的增高而减小。所以,PN结工作于高频时,高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时,极间电容对直流和低频的阻抗很大,故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大,极间电容量越大,影响也约大,这就是面接触型二极管(如整流二极管)和低频三极管不能用于高频工作的原因


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