在20世纪50年代初期,锗曾经是最主要的半导体材料,但自60年代初期以来,硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今人们使用硅的主要原因,是因为硅器件工艺的突破,硅平面工艺中,二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用,经济上的考虑也是原因之一,可用于制造器件等级的硅材料,远比其他半导体材料价格低廉,在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%,仅次于氧。到目前为止,硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间,半导体之所以得到广泛应用,是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。
(1)半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体对温度敏感,体积又小,热惯性也小,寿命又长,因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。
(2)杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如,纯净硅在室温下的电阻率为2.14 109欧姆·厘米,若掺入百分之一的杂质(如磷原子),其电阻率就会降至2000欧姆·厘米。虽然此时硅的纯度仍旧很高,但电阻率却降至原来的一百万分之一左右,绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。
(3)光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如,硫化镉薄膜的暗电阻为几十兆欧,然而受光照后,电阻降为几十千欧,阻值在受光照以后改变了几百倍。半导体的这种性质,使其成为自动化控制中的重要元件。
(4)除温度、杂质、光照外,电场、磁场及其他外界因素(如外应力)的作用也会影响半导体材料的导电能力。
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一些元素,可以形成p型硅半导体;
2、单晶硅惨入一些元素做成太阳能电池,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;
3、可以做成二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路(包括计算机内的芯片基板和CPU);
4、金属陶瓷、宇宙航行的重要材料;
5、硅可以做成光导纤维,用于通信领域;
6、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。
硅的特性
晶体硅为钢灰色,无定形硅为黑色,密度2.4克/立方厘米,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。
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