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“硅”的应用与发展趋势贵州大学材料化学专业2004级无机材料化学期中论文2007年4月25日主讲：范春林指导教师：陈冬梅小组人员：白道勇李正亮范春林内容概要二氧化硅与单质硅二氧化硅与硅的介绍二氧化硅与硅的结构及化学性质二氧化硅中提取硅的工业流程硅的用途半导体硅的应用二极管PNP和NPN晶体三极管集成电路关于硅的发展态势与前景硅产业的发展态势硅的发展前景综述二氧化硅与单质硅二氧化硅与单质硅一、二氧化硅与单质硅的介绍1.二氧化硅的化学式SiO2，式量60.08。也叫硅石，名称源自英文silica，意为“硅石”。硅在自然界分布极广，与其他矿物共同构成了岩石。天然的二氧化硅分为晶态无定形自然界中晶态硅的存在石英鳞石英方石英二氧化硅与单质硅晶态二氧化硅主要存在于石英矿中，最重要的晶体硅石是石英。石英玻璃能透过紫外线，可以用来制造汞蒸气紫外光灯和光学仪器，水晶是纯度较高的二氧化硅。无定形的硅，叫做硅藻土，常用作甘油炸药（硝化甘油）的吸附体，也可作绝热、隔音材料。水晶石英玛瑙二氧化硅与单质硅2.单质硅是一种非金属元素，化学符号是Si。晶体硅是一种灰黑色、金属光泽、更而脆，有较高的熔沸点及硬度的晶体；导电性介于导体与半导体之间，与锗相似。1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。1823年，瑞典化学家贝采利乌斯才首次分离出硅元素，确定硅为一种元素1953年，以前中国曾称它为矽，因矽和锡同音，难于分辨，故将矽改称为硅晶体Si小常识工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得二氧化硅与单质硅二、二氧化硅与硅的结构及化学性质【二氧化硅的结构及特点】特点SiO2的平面结构示意图SiO2的空间结构示意图1、正四面体2、空间网状结构3、硅氧比例：1：24、没有SiO2分子存在，只存在硅氧原子5、二氧化硅晶体中最小环由十二个原子构成二氧化硅与单质硅【硅的结构及特点】特点SiO2的平面结构示意图SiO2的空间结构示意图1硅在第四主族,和C的化学性质相似,所以它和C一样不形成负价态,那么就不会和金属离子结合,形成离子2因为硅是原子晶体,所以晶体是由共价键结合而成的,共价键的力量很大,很难破坏,所以很稳定.二氧化硅与单质硅二氧化硅及硅的化学性质常温下，二氧化硅的化学性质不活泼是酸性氧化物不与水、酸（HF除外）反应，能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。常温下，硅化学性质稳定。只与碱、氟化氢、氟气反应，不与硫酸、盐酸、硝酸等反应。氧化性常温与氢氟酸的反应SiO2+2C====Si+2CO↑SiO2+4HF====SiF4↑+2H2OSiO2+3C====SiC+2CO↑高温下与碳酸盐反应热稳定性：硅酸盐强于碳酸盐SiO2＋CaCO3＝CaSiO3＋CO2↑与碱、氟化氢、氟气反应高温下，与氯等的反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+2Cl2=SiCl4Si+O2=SiO2显还原性Si+2F2=SiF4Si+C=SiC（金刚砂)Si+2Mg=Mg2Si(离子化合物)Si+4HF=SiF4+2H2↑Si+2H2=SiH4显还原性二氧化硅与单质硅三、二氧化硅中提取硅的工业流程二氧化硅矿石→工业硅→硅晶体【二氧化硅矿石→工业硅】在高温和强还原条件下一些由含硅原料和还原剂带入的氧化物杂质必然会得到部分被还原而进入产品金属相中。作为一般用途的工业硅,其杂质含量并不构成使用上的困难。但作为有机硅产品的原料,必须是化学级工业硅,因此必须进行精炼,除去其中的Ca、Al等杂质。【工业硅→硅晶体】工业硅融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为99.7~99.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。半导体硅的应用半导体硅的应用一、二极管P型半导体示意图原理P型半导体的形成：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置，形成P型半导体相关知识多子：P型半导体中，多子为空穴。少子：为电子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。【P型半导体和N型半导体介绍】半导体硅的应用一、二极管N型半导体示意图原理N型半导体的形成：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体相关知识多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。少子：空穴为少数载流子，简称少子。施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。【P型半导体和N型半导体介绍】半导体硅的应用ＰＮ结的形成及二极管原理一块单晶硅半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称PN结。在这种单晶硅的两边接上电极，就形成了二极管。根据PN结特性可以制造出不同功能的二极管。半导体硅的应用PN结的应用※利用这PN结的特性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管、稳压二极管、雪崩二极管、隧道二极管等功能不一的二管。※使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件等一系列的具有特殊功能的电子元件。由此可见半导体硅的应用是现代电子技术的基础之一。半导体硅的应用二极管的工作原理在PN结上外加一电压（见下图）这就是PN结的单向导性，这也是二极管的工作原理。如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流则不能流过。半导体硅的应用PN结的单向导电性演示半导体硅的应用二、PNP和NPN晶体三极管【晶体三极管的结构】三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。半导体硅的应用利用其结构特点晶体三极管有以下作用电流放大作用。模拟电路中的三极管工作在线性放大区,是一个放大元件，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。电子开关作用。数字电路中的三极管工作在饱和或截止状态,起开关作用。半导体硅的应用3.集成电路集成电路（IntegrateCircuit，简写为IC，俗称芯片）被称为电子工业的“粮食”。半导体硅的应用集成电路知识１.集成电路是在特别纯净的硅材料上制造的。２.一个集成电路芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。３.科技人员把两个晶体放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。关于半导体硅的发展态势与前景半导体硅的发展态势与前景现在电子元器件90％以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。目前主要用于生产硅单晶。上世纪50到60年代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在8英寸，12英寸、长达1米多的硅单晶都已实现了规模生产。18英寸，就是直径为45厘米硅单晶业已研制成功。对硅的需求日益俱增。可以拉动一系列相关产业的发展。硅的需求增长图半导体硅的发展态势与前景硅微电子技术的发展：硅微电子技术一般地指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元件、器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，它也特指大规模集成电路的制造和运用技术。其主要特征是器件和电路的微小型化。它把电路系统的设计和制造工艺紧密结合起来，适于进行大规模的批量生产，因而成本低和可靠性高。在更小的硅晶体上集成更大规模的电路，是现在半导体硅的主要发展趋势。半导体硅的发展态势与前景提高硅的纯度和改进掺杂技术因为提高纯度可以提高各个方面的性能，而且还可以在价格上有优势，提高性价比。半导体硅在半导体陶瓷上应用晶粒的半导体化也是在烧成工艺过程中完成的，因此有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，可以非常敏感的影响材料的性能，这为开辟陶瓷敏感材料的新领域提供了广阔的天地。这些敏感材料的功能有热敏、电压敏、光敏、气敏、湿敏等，多用于军事和航天。从提高硅集成电路成品率降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。有机硅材料的研究也是一个热门课题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。综述在信息技术的各个领域中,以半导体材料为基础制作的各种各样的器件,在人们的生活中几乎无所不及,不断地改善着人们的生活方式,思维方式,提高人们的生活质量,促进了人类社会的文明进步。它们可以用做信息传输,信息储存,信息探测,激光与光学显示,各种控件等等。从整个半导体材料和信息技术发展来看，目前的信息载体主要是电子，即电子的电荷（电流）。电子还有一个属性，电子的自旋，我们尚未用上。如果我们再把电子的自旋用上，就增加了一个自由度，这也是人们目前研究的方向之一。这也为我们提供了一个非常广阔的创新的天地，我相信人们将来能在这个领域大有作为。谢谢观看