硅的结构怎样保证了它的半导体性质

硅不是电子的导体,因为在硅中,由3s和3p原子轨道组成的成键分子轨道能带和等量反键分子轨道能带在能量上有很大的差距.在含有N个原子的晶体中有4N个分子轨道,其中有2N个成键轨道.4N个价电子将填充到2N个成键轨道中；而金属的导电性要求能带不能被充满.

硅是一种半导体,单晶硅本身不导电的,要掺杂,要掺杂P或者B,形成空穴,得到N型或者P型半导体.它掺杂后主要形成两种半导体结构：

P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）,使之取代晶格中硅原子的位子,形成P型半导体.在P型半导体中,空穴多于自由电子.N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入Ⅴ族元素（如磷、砷、锑等）,使之取代晶格中硅原子的位置,形成了N型半导体.这类杂质提供了带负电（Negative）的电子载流子,称他们为施主杂质或n型杂质.在N型半导体中,自由电子多于空穴.

重要的半导体材料硅、锗等元素的原子最外层都具有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合。这种结构的特点是：每个原子周围有四个最近邻的原子组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任意顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度，通过它们对原子的引力把两个原子结合在一起，这就是共价键。这样，每个原子和周围四个原子组成四个共价键。

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。

硅是一种晶体（SiC）具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。

低温下单质硅不活泼，与空气、H2O、酸均无作用，但可与强碱和强氧化剂在适当温度下作用，如硅能与卤素在加热或高温下生成四卤化硅；高价态硅的化合物可在高温下被碳、镁、氢等还原剂还原成单质硅。

用途

1、硅是电子工业超纯硅的原料，超纯半导体单晶硅做的电子器件具有体积小、重量轻、可靠性好和寿命长等优点。掺有特定微量杂质的硅单晶制成的大功率晶体管、整流器及太阳能电池，比用锗单晶制成的好。

2、非晶硅太阳能电池研究进展很快，转换率达到了8%以上。硅钼棒电热元件最高使用温度可达1700℃，具有电阻不易老化和良好的抗氧化性能。

3、用硅生产的三氯氢硅，可配制几百种硅树脂润滑剂和防水化合物等。此外，碳化硅可作磨料，高纯氧化硅制作的石英管是高纯金属冶炼及照明灯具的重要材料。

---