[科普中國(guó)]-晶體硅

簡(jiǎn)介

性質(zhì)概括：帶有金屬光澤的灰黑色固體、硬度大、有脆性、常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑.

晶體硅：一個(gè)直徑75mm的硅片，可集成幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)個(gè)元件，形成了微電子學(xué)，從而出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)等。由于當(dāng)前信息工程的發(fā)展，硅主要用于微電子技術(shù)。以硅晶閘管為主的電力半導(dǎo)體器件，元件越做越大，與硅晶體管相比集成電路正相反，在直徑為75mm的硅片上，只做一個(gè)能承受幾kA電流和幾kV電壓的元件，這種元件滲透到電子、電力、控制3個(gè)領(lǐng)域就形成了一門新學(xué)科——電力電子學(xué)。為適應(yīng)大規(guī)模集成電路的發(fā)展、單晶硅正向大直徑、高純度、高均勻性，無(wú)缺陷方向發(fā)展。最大硅片直徑已達(dá)150mm，實(shí)驗(yàn)室的高純硅接近理論極限純度。常用的太陽(yáng)能電池是硅電池。如果在1平方米面積上鋪滿硅太陽(yáng)電池，就可以得到100W電力。單晶硅太陽(yáng)能電池的性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，很適合作太空航天器上的電源。美國(guó)的大型航天器——太空實(shí)驗(yàn)室上就安裝有4塊太陽(yáng)能電池帆板，它們是由147840塊8平方厘米大小的單晶硅太陽(yáng)能電池排列組成的，發(fā)電功率大約為12KW。

結(jié)構(gòu)晶體硅結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)。

晶胞硅原子構(gòu)成的一個(gè)面心立方原包內(nèi)還有四個(gè)原子，分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的四分之一處。與鍺晶格結(jié)構(gòu)相同，但晶胞邊長(zhǎng)a（晶格常數(shù)）不同。300k時(shí)，硅的a=5.4305A，鍺的a=5.463A。

共價(jià)四面體硅晶體中雖然不等價(jià)原子的環(huán)境不完全相同，但任何一個(gè)原子中都有4個(gè)最近鄰的原子，與之形成共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體成為共價(jià)四面體。

內(nèi)部空隙金剛石結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)部存在著相當(dāng)大的空隙。2

性質(zhì)化學(xué)及物理性質(zhì)

單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導(dǎo)電的程度，而形成p型硅半導(dǎo)體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導(dǎo)電程度，形成n型硅半導(dǎo)體。

制備單晶硅1 坩堝直拉法

用直拉法制單晶硅的設(shè)備系用T D K - 4 0 型或T D K - 3 6 A Z型單晶爐。爐內(nèi)有爐室和拉制室，兩室中間有閘閥。一般使用電阻加熱，溫度和晶體直徑均采用自動(dòng)控制，在純氬氣氣氛下進(jìn)行常壓或減壓拉晶。減壓拉晶工藝不但能改善晶體生長(zhǎng)條件，而且有助于降低晶體中碳的含量。拉晶前將設(shè)備各部件、合金石英坩堝、多晶硅和籽晶進(jìn)行清潔處理。流程采用共熔和投入摻雜法，摻雜量由理論計(jì)算，并需經(jīng)實(shí)踐加以修正。多晶硅和籽晶裝爐后，在流通的氬氣氣氛下，人工引晶放肩和收尾。晶體的等徑生長(zhǎng)過(guò)程中，需根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)節(jié)功率，使其獲得直徑均勻的產(chǎn)品。

2 區(qū)域熔煉法

硅的區(qū)熔提純采用懸浮區(qū)熔法，區(qū)熔過(guò)程對(duì)多晶硅中分凝系數(shù)小的雜質(zhì)有一定的提純作用，但對(duì)分凝系數(shù)大的雜質(zhì)如硼則不起作用。多晶硅能用化學(xué)方法提純(如三氯氫硅精餾及氫還原)得到很高的純度，因此區(qū)熔法在硅的生產(chǎn)中，一般作為制作單晶的手段，而不作為提純手段。在區(qū)熔爐爐室內(nèi)，將硅棒用上下夾頭保持垂直，有固定晶向的籽晶在下面，在真空或氬氣條件下，用高頻線圈加熱( 2 ～3MHz)，使硅棒局部熔化，依靠硅的表面張力及高頻線圈的磁力，可以保持一個(gè)穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)，熔區(qū)緩慢上升，達(dá)到制成單晶或提純的目的。設(shè)備及原料經(jīng)清潔處理后裝爐，抽真空或充氬氣。在氬氣下高頻加熱進(jìn)行區(qū)熔提純單晶。設(shè)備為QRL-20型區(qū)熔爐、高頻發(fā)生器及FC-16型磁飽和電抗器配套作生產(chǎn)主機(jī)。預(yù)熱、引晶、放肩、等徑、收尾等過(guò)程由人工控制。

多晶硅多晶硅呈灰色或黑色且有金屬光澤的等軸八面晶體，是制造單晶硅的原料。硅屬半金屬，是極為重要的元素半導(dǎo)體材料。多晶硅的生產(chǎn)，除個(gè)別工廠采用硅烷熱分解法外，一般都采用氫還原三氯氫硅方法。

三氯氫硅法

包括三氯氫硅的合成和三氯氫硅的還原兩部分。

(1)三氯氫硅的合成

用金屬硅和氯化氫為原料，在流態(tài)化氯化爐中進(jìn)行反應(yīng)，三氯氫硅的沸點(diǎn)為31.5℃，與絕大多數(shù)雜質(zhì)的氯化物揮發(fā)溫度相差較大，所以可用精餾法提純。三氯氫硅極易揮發(fā)和水解，產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕的鹽酸氣，因此精餾設(shè)備必須防止水汽和空氣混入。小規(guī)模生產(chǎn)超純硅可采用聚四氟乙烯，特制玻璃或石英作為精餾設(shè)備材料，大規(guī)模生產(chǎn)則須采用耐腐蝕的金屬或合金材料以免銅、鐵、鎳等重金屬雜質(zhì)混入而影響超純硅的質(zhì)量。

(2)三氯氫硅的還原

在超低碳的不銹鋼或鎳基合金制成的水冷爐壁還原爐內(nèi)，用氫將三氯氫硅還原成硅。爐內(nèi)有不透明石英鐘罩(有透明石英內(nèi)層和觀察孔)和用細(xì)硅芯或鉭管制成的發(fā)熱體。細(xì)硅芯是用超純硅在特制的硅芯爐內(nèi)制成。在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積之前，由于硅在常溫時(shí)電阻率很高，因此硅芯須在石英罩外用電阻加熱至300℃或用幾千伏的高壓電啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)提純的氫氣(含水蒸汽量很少，露點(diǎn)在-70℃以下)在揮發(fā)器中將三氯氫硅自爐底帶入爐內(nèi)，于1100～1150℃進(jìn)行還原反應(yīng)，使硅沉積在發(fā)熱體上，三氯氫硅氫還原法所生產(chǎn)的多晶棒，供區(qū)域熔煉法生產(chǎn)單晶硅用的硅棒直徑為50～100mm。供直拉法生產(chǎn)單晶用的硅棒直徑為50～150mm。還原尾氣中的三氯氫硅和四氯化硅在-80℃以下冷凝回收，氫氣凈化后可以循環(huán)使用。三氯氫硅氫還原制取超純硅的方法沉積速度較慢，一般不超過(guò)0.5mm/h。消耗電能很多，副產(chǎn)品四氯化硅量大，因此研究了很多新的綜合利用方法。根據(jù)已發(fā)表的資料，其中最有前途的方法是將四氯化硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅、二氯二氫硅、硅烷，然后還原或分解成為超純多晶硅。3

用途1， 半導(dǎo)體材料

由于硅半導(dǎo)體耐高電壓、耐高溫、晶帶寬度大，比其它半導(dǎo)體材料有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于電子工業(yè)集成電路的生產(chǎn)中。高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型硅半導(dǎo)體另外廣泛應(yīng)用的二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路（包括我們計(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。

2， 太陽(yáng)能光伏電池板

多晶硅可以直接用于制造太陽(yáng)能光伏電池板，或加工成單晶硅后再用于制造光伏電池板。先將硅料鑄錠、切片或直接用單晶硅棒切片，再通過(guò)在硅片上摻雜和擴(kuò)散形成PN結(jié)，然后采用絲網(wǎng)印刷法，將銀漿印在硅片上做成柵線，經(jīng)過(guò)燒結(jié)，同時(shí)制成背電極，并在有柵線的面上涂減反射膜等一系列工藝加工成太陽(yáng)能電池單體片，最后按需要組裝成太陽(yáng)能電池板。目前，硅光伏電池占世界光伏電池總產(chǎn)量的98% 以上，其中多晶硅電池約占55% ，單晶硅電池約占36% ，其它硅材料電池約占70%。由于多晶硅光伏電池的制造成本較低，光電轉(zhuǎn)換效率較高(接近20%)，因而得到快速發(fā)展。4

3， 集成電路

這是將成千上萬(wàn)個(gè)分立的晶體體管、電阻、電容等元件，采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們集成一個(gè)或幾個(gè)尺寸很小的晶片上，集結(jié)成一個(gè)以幾個(gè)完夠的電路。集成電路大大減小了體積、重量、引出線和焊點(diǎn)數(shù)目，并提高了電路性能和可靠性，同時(shí)降低了成本，便于批量生產(chǎn)，使計(jì)算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展。

4， 探測(cè)器

由對(duì)光照敏感的PN結(jié)或PIN結(jié)構(gòu)成的光生伏打型的探測(cè)器。PIN結(jié)不是突變的PN結(jié)，而是在結(jié)的P和N側(cè)之間加入本征區(qū)I層。該結(jié)構(gòu)的光照表面（如P）區(qū)做得較薄，使入射光進(jìn)入本征區(qū)而被吸收，產(chǎn)生空穴-電子對(duì)。本征區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)使載流子快速飄移，通過(guò)本征區(qū)。因此，PIN結(jié)相同材料的PN結(jié)構(gòu)相比，其響應(yīng)時(shí)間更短。

5，傳感器

硅的傳感器有壓阻傳感器，它是將壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。硅片受外力作用時(shí)晶格形變，使得電阻率改變。熱敏電阻，利用硅的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子濃度增加，使得電阻率下降。

硅還可用于光敏傳感器和磁敏傳感器等。5

切割回收方法物理回收方法物理沉降法、重液分離法、泡沫浮選法、電泳分離法（垂直電泳分離、電選分離法）、高溫處理法。

化學(xué)回收方法回收單質(zhì)硅、制備含硅產(chǎn)品。

間接回收技術(shù)間接回收技術(shù)通常不分離出廢砂漿中的硅粉，而是將硅粉和碳化硅都作為原料制備其它產(chǎn)品。6

發(fā)展1994 年全世界太陽(yáng)能電池的總產(chǎn)量只有 69 MW，而 2004 年就接近 1200 MW，在短短的 10 年里就增長(zhǎng)了 7 倍。專家預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過(guò)核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。1