硅的知识.doc

地球里的硅 硅，在元素周期表中的序号是14，相对原子量为28。常温下是固体，熔点是1410~1414度，沸点则高得很，要2355度，摄氏哦。 许多人都知道，硅在地壳中的含量，仅次于氧。如果大家同意氧不能算作矿物质的话，那么，硅就是地壳中含量最丰富的矿物质，它在地壳中的丰度达到27.7%！也就是说，由一百多种元素组成的地壳，硅占了四分之一还多！ 硅在地壳中，主要以各种各样的氧化物和硅酸盐形式存在。最常见的氧化物是石英，成分是二氧化硅，水晶是石英的一种特殊存在形式。此外，云母、石棉、石榴石等，都是硅酸盐。 硅第一次被分离成单质，是在1823年，由瑞典化学家贝采乌里斯用金属钾和氟化硅还原得到的。而纯净的硅元素结晶，则据说是由法国的无机化学家德维尔在1854年制取的。 现在，一般得到硅是用石英和碳在高温下还原来进行的。不过，这样得到的硅通常称为金属硅，国内也叫工业硅。因为硅由于呈蓝灰色且带有金属光泽，起初被认为是金属。后来，才知道硅是半导体。被误认为是金属的原因是由于金属硅的导电性，这是由于硅里所带有的金属杂质引起的，因为里面含有不少的铁、铝、钙等金属元素,造成了金属硅的导电性。 在二次大战期间，作为雷达电波的探测器，开始对硅整流器进行了深入的研究。也是那个时候，才弄清了硅原来是半导体，从此，确定了今天电子时代与信息时代的基础。 半导体里的硅 知道了硅是半导体后，人们开始利用硅来制作各种器件。硅器件需要很纯的晶体硅，晶体硅的提纯技术经过了不少周折，形成了现在的CZ直拉单晶法和悬浮区熔法。目前，可以得到纯度为12N （99.9999999999%）的硅材料，但通常，只要能够到10N，就可以满足大部分集成电路的需要了。 如果硅的纯度不够，做不了半导体器件，不过完全的纯硅虽然是半导体，但因为载流子浓度太低，所以也没有什么实际作用。真正半导体的重要性质，就是一旦掺杂有施主（N型）或受主杂质（P型）后，载流子的数量急剧增多，才能具备能够被人们使用的半导体的特性。所以，人们在制备了很纯的硅材料后，还要进行掺杂，似乎是吃饱了撑的，但是，因为材料对杂质的纯度要求也很高，因此，这样做还是必要的。 硅是IV族元素，外层有四个电子，所以，外层有五个电子的V 族元素就被称为施主元素，因为多余的那个好象是做善事一样可以共大家使用，产生导电性。而外层只有三个电子的III族元素，则被成为受主元素，因为外面少一个电子，好象有一个空穴一样，所以周围的硅原子所带有的外层的电子老是要来填满它，这样，那个空穴就好象也会到处跑，像个正电子一样，电子和空穴就被统称为载流子。 最常被用来作为施主杂质的元素是磷，主要原因是它无毒而且比较容易得到，进行掺杂也比较容易。最常被用来作为受主杂质的元素是硼，主要原因也和磷一样，但它比磷还有一个更加明显的优点，就是，它在硅中的分凝系数很接近于1。----这是什么意思呢？ 掺杂时，要将硅和杂质一起熔化，然后拉单晶。而单晶是从上到下逐渐生长的，所有的杂质元素在硅晶体的生长时，在硅的晶体和液体的界面上（固液界面），在固体和液体中的浓度是不同的，其在固体中的浓度与在液体中的浓度之比，就称为分凝系数。分凝系数越接近与1，则在固体和液体中的比例一样，这样所拉出的单晶的杂质浓度就越均匀。而分凝系数越接近于零，则在固体和液体的比例差别越大，这样，先拉出来的单晶的头部，杂质就会很少，而到单晶的底部，杂质浓度就会很大。 硼在固液界面静止情况下的分凝系数为0.8，在固液界面运动的时候，会超过0.9，所以，拉制的单晶里，从头到尾，所掺杂的硼的浓度很均匀。而磷的分凝系数为0.36，在实际拉晶时，分凝系数可以超过0.5，虽然小了些，但在V族元素里，已经是分凝系数最大的元素了（将就着用吧！）。 太阳能电池里的硅 当光照在硅材料上，因为光子（就是光的一个说法）会激发硅材料的低能级的电子（懒惰的、文静不动的，因而是不导电的），跃迁到高能级上，而成为自由电子（活跃的，到处溜达的），因此，会产生电流，这个效应称为光伏效应。 第一个硅的太阳能电池是1954年美国贝尔实验室研制出来的，当时的效率是6%，不久到了10%，而成本则比常规电力高1000倍，所以只用在航天器上。光电转换效率指光伏电池所发出的电能与照射在其表面的光的能量的比例的百分数。通常，单晶硅的极限在24%，多晶硅在20%左右。这是指单纯的单个PN结的效率，不算什么聚焦啊，叠层啊那些技术。 与半导体里一样，当硅里面掺杂了施主和受主元素后，光伏效应会明显增强，这样，用阳光来发电就成为了可能。掺施主杂质,就叫N型,掺受主杂质,就叫P型。知道了杂质之间的分凝系数的差异，就可以理解，为什么现在的太阳能电池都喜欢P型的材料做电池的基底材料了,就是因为硼容易掺杂得比较均匀，而用磷来掺杂时，往往一根单晶榜的头尾的浓度相差很大，是因为所掺