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硅的基本知识


硅的基本知识(一) 来源: 作者: 时间:2008-04-28 Tag: 点击:


silicon

一种重要的半导体材料。 元素周期表中第 3 周期第Ⅳ族的元素,化学符号 Si,原子序数 14, 属金刚石型晶格结构,晶格常数 5.42?10 m, 熔点 1417℃,禁带宽度 1.12 电子伏,性脆易碎,密度小而硬度大,是呈银

灰色金属光泽的非金属材料。硅在地壳中常以化合态存在。用作 半导体材料的硅是经还原提纯的高纯硅(纯度达 8 个“9”以上)。它有非晶、多晶、单晶 3 种形态。制造硅器件主要用单晶硅。1950 年,硅单晶作为半导体材料开始进入实用化阶段,制作单晶硅的工艺主要有直拉法、区熔法和外延法。直拉法适宜于生长低电阻大直径 单晶,其径向杂质分布均匀,适宜作低压硅器件和集成电路的材料。区熔单晶径向杂质分布均匀性较直拉法差,但氧、碳含量低,用高 阻区熔单晶经过中子辐照可以得到杂质分布均匀性相当满意的单晶材料,适宜于制作高压大功率器件。衡量单晶质量的参数主要有导电 类型、晶向电阻率及其均匀性、少子寿命、位错密度、补偿度等。影响单晶质量的关键因素是晶格缺陷和杂质。

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由于硅的资源十分丰富,易于提纯,价格便宜,而且硅器件易于实现平面工艺,具有效率高、寿命长、体积小、导热好、耐高温、可 靠性高等优点,大多数半导体器件都选硅作原料。硅主要用于制作各种集成电路、晶体管及电力电子器件。后者包括大功率的整流管、 晶闸管、晶体管及各种派生器件,已广泛用于机械、冶金、电力、矿山、交通运输、航天、化工等各个领域。硅晶体管和集成电路主要 用于无线电装置、电信设备、自动控制系统、计算机、航天事业等各个领域。此外,还可制造太阳能电池,用作航天飞机、人造卫星、 无人灯塔等的电源。

硅 silicon 一种化学元素 。化学符号 Si , 原子序数 14 , 原子量 28.0855,属周期系ⅣA 族。法国 A.-L.拉瓦锡和英国 H.戴维都认为硅 土 中含有一种化学元素 。 1810 年瑞典 J.J.贝采里乌斯加热石英砂、 炭和铁的混合物时, 得到一种金属 , 被命名为 silicon, 含义是燧石 , 实际上他得到的只是硅铁 。到了 1823 年 ,他才用金属钾还原四氟化硅 ,得到无定形硅 。1854 年 H.S.C.德维尔电解石英砂和冰晶石 的混合熔融物,得晶形硅。硅在地壳中的含量为 27.72% ,仅次于氧 ,占第二位。硅是构成岩石的主要元素,以硅石(SiO2)的形式存在, 石英、水晶、玛瑙、燧石、砂子、砂岩都是硅石的变体。天然硅酸盐除存在于土壤、粘土中之外,长石、高岭土、滑石、云母、石棉、 沸石等矿物也都是硅酸盐。 硅有无定形硅和晶形硅两种同素异形体。无定形硅是灰黑色粉末,实际上也是一种微晶体。晶形硅具有金刚石的晶体结构和半导体 性质 , 熔点 1410℃ , 沸点 2355℃ ,密度 2.32~2.34 克/厘米 3,莫氏硬度 7,性脆 。无定形硅化学性质活泼,在氧气中能剧烈燃 烧。它在高温下与卤素、氮、碳等非金属发生反应,也能与镁、钙、铁等金属作用,生成硅化物。无定形硅几乎不溶于包括氢氟酸在内 的所有无机酸和有机酸,但能溶于硝酸与氢氟酸的混合酸。浓氢氧化钠溶液能溶解无定形硅,放出氢气。晶形硅比较不活泼,即使在高 温下也不与氧气化合,它也不溶于任何一种无机酸和有机酸,但可溶于硝酸和氢氟酸的混合酸以及浓氢氧化钠溶液。晶形硅具有明显的 导电性,而且随温度升高而增加,具有半导体性质,极纯的晶形硅能够随着晶格中掺入微量杂质而使其电导率大大提高,得到 P 形硅半 导体和 N 型硅半导体。硅的氧化态为+2 和+4 ,生成如 SiO 和 SiO2 等化合物 ,生成的一系列氢化物称为硅烷,还能形成金属硅化物,如 Mg2Si。 纯度不高的单质硅可用金属镁或铝还原二氧化硅制得 ,但这是无定形硅。晶形硅则要在电弧炉内用碳还原二氧化硅制得,它可用 来生产硅钢片。用作半导体的超纯硅的制法则是先用纯度不高的硅与氯化氢和氯气的混合物作用,制取三氯氢硅,并用精馏法提纯。然 后在还原炉内用纯氢将三氯氢硅还原,硅就沉积在用超纯硅制成的细芯上,这样制得的超纯硅称为多晶硅,把它放在单晶炉内,就可拉 制成单晶硅 ,可用作半导体材料,它的来源丰富,价格便宜,大部分半导体材料都用硅。硅铁可作合金添加剂,及冶金中的还原剂和除 气剂。

-{硅}-(台湾、香港称-{矽}-)是一种化学元素,它的化学符号是 Si,它的原子序数是 14,属于元素周期表上 IVA 族的类金属元素。

性状
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。 同素异形体有无定形硅和结晶硅。

发现
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。

名称由来
源自英文 silica,意为“硅石”。

分布
硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,约占地表岩石的四分之一,广泛存在于硅酸盐和硅石中。

制备
工业上,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。 化学反应方程式: SiO2 + 2C → Si + 2CO 这样制得的硅纯度为 97~98%,叫做金属硅。再将它融化后重结晶,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。

同位素
已发现的硅的同位素共有 12 种,包括硅 25 至硅 36,其中只有硅 28,硅 29,硅 30 是稳定的,其他同位素都带有放射性。

用途
硅是一种半导体材料,可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金),用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料 一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、矽氧烷、硅烷。

参见
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硅 silicon 元素符号 Si,半金属,在元素周期表中属ⅣA 族,原子序数 14,原子量 28.0855,金刚石型晶体,常见原子价为+4。 1810 年瑞典人贝采利乌斯(J.J.Berzelius)在加热石英砂、炭和铁时,得到一种金属,根据拉丁文 silex(燧石)命名为 silicon。当 时得到的实际是硅铁,1824 年分离出硅,定为元素。至 1854 年法国人德维尔(S.C.De-ville)用混合氯化物熔盐电解法制得晶体硅;以后, 得到纯度超过 99%的纯硅;更后,美国杜邦公司用锌还原四氯化硅得到纯度超过 99.97%的针状硅。 硅的地壳丰度仅次于氧,达到 25.8%。硅在自然界中,主要的赋存形式为同氧结合成二氧化硅或金属的硅酸盐,最纯的硅矿物是石 元素周期表 同位素列表 类金属

英和硅石。

性质和用途 金属硅的性质和锗、锡、铅相近。

硅具有半导体性质,其禁带宽度(300K)为 1.107 电子伏,本征电阻率(300K)为 2.3?105 欧姆?厘米,电子迁移率(20℃)为 1350 厘米 /(伏?秒),空穴迁移率(20℃)为 480 厘米 2/(伏?秒),电子扩散系数(300K)为 34.6 厘米 2/秒,空穴扩散系数(300K)为 12.3 厘米 2/秒。 在钢铁工业中广泛用硅铁作合金添加剂,在多种金属冶炼中用作还原剂。冶炼铝合金时加入少量的纯度为 98%的冶金级硅可大大改 善铝合金的性能。冶金级硅的产量主要与钢铁和铝工业有关。此外纯度为 98~99%的金属硅可用来生产三氯氢硅一类的中间产品,配制 几百种硅树脂润滑剂和防水化合物等。 金属硅也是电子工业超纯硅的原料。单晶硅用量虽仅为全部硅消费量的 1%,但占极为重要的地位,最主要的用途是用于制作大规模 集成电路和功率器件。单晶硅的质量日益提高,直径不断增大,成本不断降低,生产半导体硅已成为当代重要的新兴工业。1980 年世界 上多晶硅的生产能力为 2695 吨,其中用于制作集成电路的为 2110 吨,用于功率元件的为 247 吨。主要生产多晶硅的国家为联邦德国、美 国、日本等。1980 年多晶硅的价格为 65~83 美元/公斤,用于集成电路的单晶硅为 400~500 美元/公斤,用于功率元件的中子掺杂单晶 硅为 700 美元/斤,探测器级高阻单晶硅为 5000~14000 美元/公斤。 硅的冶炼 硅是在电弧炉中还原硅石(SiO2 含量大于 99%)生产的。使用的还原剂为石油焦和木炭等,作用有三:①导电;②作为具 有活性的碳完成还原反应;③造成一个结实、多孔性的炉床,使化学反应迅速完成。使用直流电弧炉时,能全部用石油焦代替木炭。石油 焦灰分低(0.3~0.8%),采用质量高的硅石如中国硅石(SiO2 大于 99.5%),可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。炼硅电弧炉向大 容量发展,电炉功率由 60 年代的 5000~7000 千伏安扩大到 70 年代末的 60000 千伏安。 超纯硅(多晶硅)的制备 超纯硅的生产,除个别工厂采用硅烷热分解法外,一般都采用氢还原三氯氢硅方法。 三氯氢硅的合成 用金属硅和氯化氢气为原料,在流态化氯化炉中进行反应(见流态化焙烧,氯化冶金),三氯氢硅的沸点为 31.5℃, 与绝大多数杂质的氯化物挥发温度相差较大,所以可用精馏法提纯。三氯氢硅极易挥发和水解,产生强腐蚀的盐酸气,因此精馏设备必 须防止水汽和空气混入。小规模生产超纯硅可采用聚四氟乙烯,特制玻璃或石英作为精馏设备材料,大规模生产则须采用耐腐蚀的金属 或合金材料以免铜、铁、镍等重金属杂质混入,影响超纯硅的质量(见超纯金属)。 三氯氢硅氢还原 在超低碳的不锈钢或镍基合金制成的水冷炉壁还原炉内,用氢将三氯氢硅还原成硅。炉内有不透明石英钟罩(有透 明石英内层和观察孔)和用细硅芯或钽管制成的发热体。细硅芯是用超纯硅在特制的硅芯炉内制成。在进行化学气相沉积之前,由于硅 在常温时电阻率很高,因此硅芯须在石英罩外用电阻加热至 300℃或用几千伏的高压电启动。经过提纯的氢气(含水蒸气量很少,露点在 -70℃以下)在挥发器中将三氯氢硅自炉底带入炉内,于 1100~1150℃进行还原反应,使硅沉积在发热体上,其主要化学反应如下:

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同时也发生一些副反应,如: SiHCl3+HClSiCl4+H2

SiHCl3SiCl2+HCl

二氯化硅在高温是稳定的,在较低温度时生成少量的[SiCl2]x,这是一种油状物质,容易与水汽反应腐蚀炉壁。由于 SiCl2 的生成影 响硅在高温时的实收率;同时因为难于达到平衡情况,使硅的沉积速度较慢,三氯氢硅氢还原法所生产的多晶棒,供区域熔炼法生产单晶 硅用的硅棒直径为 50~100 毫米。供直拉法生产单晶用的硅棒直径为 50~150 毫米。还原尾气中的三氯氢硅和四氯化硅在-80℃以下冷 凝回收。 氢气净化后可以循环使用。 三氯氢硅氢还原制取超纯硅的方法沉积速度较慢,一般不超过 0.5 毫米/时。消耗电能很多,副产品四氯化硅量大,因此研究了很多 新的综合利用方法。根据已发表的资料,其中最有前途的方法是将四氯化硅转化为三氯氢硅、二氯二氢硅、硅烷,然后还原或分解成为 超纯多晶硅。 多晶硅纯度的鉴定 主要通过测定电阻率并计算杂质浓度,能保证多晶硅产品质量达到 n 型电阻率大于 300 欧姆?厘米(其中 500~ 1000 欧姆?厘米的产品达到 60~70%),p 型电阻率大于 3000 欧姆?厘米(其中 5000~10000 欧姆?厘米的产品大于 50%)。最高质量 的多晶硅纯度能达到 n 型电阻率 1000~2000 欧姆?厘米。p 型电阻率 5000~10000 欧姆?厘米。由于器件对晶体的电学参数的不同要求 和不同的晶体制造工艺,对多晶硅中的硼、施主杂质浓度、重金属杂质含量有不同的要求,多晶硅可大致分为四类:

其中太阳能电池级多晶硅纯度要求较低,但 80 年代初要求每公斤价格降至 10 美元以下。 单晶硅的制备 直拉法单晶 用直拉法制单晶硅的硅单晶炉与锗单晶炉基本相同(见彩图)。炉内有炉室和拉制室,两室中间有闸阀。 一般使用电阻加热,温度和晶体直径均采用自动控制,在纯氩气氛下进行常压或减压拉晶。减压拉晶工艺不但能改善晶体生长条件,而 且有助于降低晶体中碳的含量。晶体掺杂方法有两种:制备中、高阻单晶采用母合金掺入法;制备重掺杂的单晶(如掺锑的外延衬底单 晶)则直接加入掺杂的元素(n 型单晶掺磷,p 型单晶掺硼)。要制造良好(晶体完整)的硅单晶体,应在拉晶炉内建立合理的热场,选择 拉晶条件,找到最好的动态热场,得到平坦微凹向熔体的固液界面,并严格控制籽晶的拉速与转速以及坩埚转速等技术条件。现代的直 拉单晶炉能生产直径大于 125 毫米的硅单晶。直拉法因为使用石英坩埚而掺入氧,通常都要经过热处理以消除氧对电阻率的影响。根据 原始氧含量及器件热处理温度,氧沉淀(SixOy)可以成为吸除缺陷中心。为了获得稳定的吸除缺陷能力,氧含量须控制在(8~11)?1017 厘米-3 之间。氧可以增加硅片强度,但氧含量过多会导致硅片翘曲。单晶硅中碳原子数含量在 5?1015~5?1016 厘米-3 之间,碳含量 高对器件性能有害。目前直拉硅单晶的生产水平为:直径 50~100 毫米,并正向 125~150 毫米过渡;晶向〈111〉,〈100〉;电阻率范 围: 型电阻率为 0.03~50 欧姆?厘米, 型电阻率 0.001~80 欧姆?厘米; n p 位错密度小于 500 厘米-2;无旋涡缺陷; 少数载流子寿命 10~ 50 微秒。

区熔法单晶 硅的区熔提纯与锗不同,不使用容器,称为悬浮区熔法(见彩图)。区熔过程对多晶硅中分凝系数小的杂质有一定的提 纯作用,但对分凝系数大的杂质如硼则不起作用。多晶硅能用化学方法提纯(如三氯氢硅精馏及氢还原)得到很高的纯度,因此区熔法 在硅的生产中,一般作为制作单晶的手段,而不作为提纯手段。在区熔炉炉室内,将硅棒用上下夹头保持垂直,有固定晶向的籽晶在下 面,在真空或氩气条件下,用高频线圈加热(2~3 兆赫),使硅棒局部熔化,依靠硅的表面张力及高频线圈的磁力,可以保持一个稳定 的悬浮熔区,熔区缓慢上升,达到制成单晶或提纯的目的。线圈结构对保证操作顺利起非常重要的作用。现代大型区熔炉能拉制直径大 于 100 毫米的硅单晶。掺杂方法主要是使用气相掺杂法:掺磷化氢(PH3)或乙硼烷(B2H6)。如要制取电阻率均匀性好的区熔单晶硅,可用 中子嬗变法(核嬗变掺杂法),把单晶置于原子反应堆中辐照,使同位素 30Si 转变为 31P,以达到掺杂的目的。制成的单晶须经过热处理,

以消除辐射造成的晶格损伤。 目前区熔硅单晶的生产水平: 直径 50~100 毫米; 〈111〉〈100〉 晶向 , ;电阻率范围: 型 0.1~3000 欧姆?厘 p 米,n 型 0.04~800 欧姆?厘米;位错密度小于 500 厘米-2;无旋涡缺陷;少数载流子寿命 1000~2500 微秒;氧、碳含量小于1ppma(中 子掺杂单晶为 n 型,电阻率范围主要为 50~200 欧姆?厘米;断面电阻率均匀性为 3~5%;少数载流子寿命≥100 微秒)。

探测器级硅单晶 探测器级硅单晶要求有很高的纯度,采用悬浮区熔法提纯,所用多晶硅是在三氯氢硅精馏以前,采用络合物除硼或 其他化学方法(如氧化铝吸附等)除去有“不利分配系数”的杂质,再进行氢还原,所得多晶在高真空下进行多次区熔提纯后再制成单 晶。目前探测器级硅单晶的生产水平:直径 33~50 毫米(直径<33 毫米是有位错的硅单晶,较大直径是无位错硅单晶);晶向〈111〉;p 型硅单晶电阻率范围为 3000~20000 欧姆?厘米,n 型电阻率为 800~20000 欧姆?厘米;少数载流子寿命大于 1000 微秒;氧含量< 0.4ppma;碳含量<0.6ppma。 太阳能电池级硅单晶 主要是廉价的、光电转换效率高的晶体。铸造大晶粒多晶硅、气相生长多晶硅薄膜和非晶态硅的研究工作都在 进行。此外,枝蔓状和片状单晶也已小量生产。 无位错单晶工艺 现代硅单晶,无论是直拉单晶或区熔单晶,都是使用无位错工艺的生产方法。无位错单晶抵抗二次缺陷的能力强, 晶体的少数载流子寿命长,同时也是制备大直径硅单晶所必须使用的方法(见晶体缺陷)。用鼓棱法生产的无位错硅单晶,在生长期间, 由于过剩热点缺陷(自填隙原子、空位)的凝聚,形成条纹状分布的旋涡缺陷。这种缺陷在器件生产的热氧化过程中,形成层错,导致 器件反向耐压特性降低,漏电流增加。因此在单晶生长过程中要增加晶体冷却速度,以防止旋涡缺陷的形成。当晶体生长速度大于某个 临界值时,无论直拉法或区熔法,都能生长无旋涡缺陷的单晶。根据器件的需要,单晶硅掺杂的范围很大(1010~10c 厘米-3),晶体的杂 质分布要非常均匀,要控制晶体的宏观(轴向及径向电阻率)及微观(条纹)均匀性。 抛光片的生产 切片、磨片及抛光片的技术是硅材料生产中一个重要组成部分,其质量优劣与器件性能密切相关。目前世界上的硅工 厂大都生产抛光片,所用设备要求精密度高和操作自动化,要有先进的化学-机械抛光工艺,并要求在高纯净化室内进行操作,能生产光 洁度、平整度高的高质量的抛光片。目前直径为 100 毫米的硅抛光片生产水平:厚度公差±10~15 微米;不平行度 6~10 微米;弯曲度 20~50 微米;平整度<4 微米。 多晶硅、单晶硅、硅抛光片的质量控制 硅工业发展的速度很快,与集成电路工艺密切相关。集成电路的集成度越来越高,最近用几 微米的配线技术和深度为数百埃(┱的杂质扩散技术(64KRAM 的线宽为 3 微米,256KRAM 只有 1.5 微米),已能在约 5 毫米见方的硅单晶片 上,制得 15 万个元件的高集成化的集成电路。除了器件工艺本身的条件更加严格,对硅单晶的纯度、完整性、均匀性、几何尺寸精度和 晶体缺陷等参数,也有着更高的要求。为了满足日益严格的要求,硅的生产工艺及设备必须能稳定的进行操作以保证质量。并在多晶硅、 单晶硅及硅抛光片的生产过程中,进行严格的日常质量检查制度,要有先进的测试方法及仪器设备。例如三氯氢硅在精馏前后,要分析三 氯氢硅中的甲基硅烷、二氯硅烷、四氯化硅及磷、砷、硼等杂质。所用仪器有气相色谱仪、原子吸收光谱及紫外光谱等。同时在小型石 英设备内用三氯氢硅氢还原法沉积多晶硅棒并测定其 n 型及 p 型电阻率,间接确定其纯度。多晶硅每炉要测定其 n 型及 p 型电阻率和少 数载流子寿命。用低温 (20K)恒温装置的红外分光光度计测定硅中氧、硼、碳、磷、砷、铝等杂质含量。用中子活化分析技术测定硅中 重金属杂质含量。单晶硅要测定型号、电阻率、少数载流子寿命、位错密度等参数及氧、碳含量。用霍尔效应测量杂质浓度及补偿度。 要作旋涡缺陷检验,为了显示旋涡缺陷,一般采用高温水汽氧化法,晶片经氧化处理后,用氢氟酸除去氧化层,然后用择优腐蚀显示。 也可用铜缀饰结合 X 射线形貌图进行检验。为了消除旋涡缺陷,可用透射电镜或高压电镜的电子显微技术进行点缺陷本性的研究。切、 磨、抛工艺也必须经常检查硅片的晶向、厚度、翘曲、厚度偏差、表面情况各种参数。在单晶硅的生产过程中不合格的中间产品,不能 进入下一道工序,以保证最后产品质量的稳定性和可靠性。 目前大规模集成电路正向超大规模集成电路发展。对硅单晶有新的质量要求。例如纯度要求更高,对重金属杂质含量要求 ≤0.001ppba(即分析灵敏度达到 ppb 级)。对晶体完整性也同样有更高的要求。因此对硅单晶旋涡缺陷产生的原因,杂质与缺陷的关系, 硅片背面处理以吸除点缺陷和杂质以及制造表面完整层等方法,都在进行研究。硅的表面状态影响器件的特性,在集成电路的集成度提 高以后,表面状态是至关重要的特性;采用的测试手段有俄歇电子能谱仪,二次离子质谱仪等精密仪器设备。要求微缺陷的测定工作在较 小的容积范围内进行,即微区分析以及在界面区及表面区域进行分析。 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。 硅的用途: 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第 IIIA 族元素,形成 p 型硅半导体;掺入微量的第 VA 族元素,形成 n 型 和 p 型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,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。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和 陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时 磨擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。 ③光导纤维通信,最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,激光在玻璃纤维的通路里,无数次的全反射向前传 输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输 256 路电话,它还不受电、磁干扰,不怕窃听, 具有高度的保密性。光纤通信将会使 21 世纪人类的生活发生革命性巨变。 ④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。 有机硅化合物,是指含有 Si-O 键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与 硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中,以硅氧键(-Si-0-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷,是有机硅化合物中为数最多,研究 最深、应用最广的一类,约占总用量的 90%以上。 有机硅材料具有独特的结构: (1) Si 原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来; (2) C-H 无极性,使分子间相互作用力十分微弱; (3) Si-O 键长较长,Si-O-Si 键键角大。 (4) Si-O 键是具有 50%离子键特征的共价键(共价键具有方向性,离子键无方向性)。 由于有机硅独特的结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并 具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性,广泛应用于航空航天、 电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业,其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、 消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长,应用领域不断拓宽,形成化工新材料界独树一帜的重要产 品体系,许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。 有机硅材料按其形态的不同,可分为:硅烷偶联剂(有机硅化学试剂)、硅油(硅脂、硅乳液、硅表面活性剂)、高温硫化硅橡胶、 液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。 发现 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。

名称由来 源自英文 silica,意为“硅石”。

分布 硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,约占地表岩石的四分之一,广泛存在于硅酸盐和硅石中。

制备 工业上,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。 化学反应方程式: SiO2 + 2C → Si + 2CO 这样制得的硅纯度为 97~98%,叫做金属硅。再将它融化后重结晶,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。

同位素 已发现的硅的同位素共有 12 种,包括硅 25 至硅 36,其中只有硅 28,硅 29,硅 30 是稳定的,其他同位素都带有放射性。

用途 硅是一种半导体材料,可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金),用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料 一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。 硅的特性 铝 - 硅 - 磷 碳 硅 锗 ? 元素周期表 总体特性 名称, 符号, 序号 硅、Si、14 系列 类金属 族, 周期, 元素分区 14 族(IVA), 3, p 密度、硬度 2330 kg/m3、6.5 颜色和外表 深灰色、带蓝色调 地壳含量 25.7% 原子属性 原子量 28.0855 原子量单位 原子半径(计算值) 110(111)pm 共价半径 111 pm 范德华半径 210 pm 价电子排布 [氖]3s23p2 电子在每能级的排布 2,8,4 氧化价(氧化物) 4(两性的) 晶体结构 面心立方 物理属性 物质状态 固态 熔点 1687 K(1414 °C) 沸点 3173 K(2900 °C) 摩尔体积 12.06?10-6m3/mol 汽化热 384.22 kJ/mol 熔化热 50.55 kJ/mol 蒸气压 4.77 帕(1683K) 声速 无数据 其他性质 电负性 1.90(鲍林标度) 比热 700 J/(kg?K) 电导率 2.52?10-4 /(米欧姆) 热导率 148 W/(m?K) 第一电离能 786.5 kJ/mol 第二电离能 1577.1 kJ/mol 第三电离能 3231.6 kJ/mol 第四电离能 4355.5 kJ/mol 第五电离能 16091 kJ/mol

第六电离能 19805 kJ/mol 第七电离能 23780 kJ/mol 第八电离能 29287 kJ/mol 第九电离能 33878 kJ/mol 第十电离能 38726 kJ/mol 最稳定的同位素 同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量 MeV 衰变产物 28Si 92.23 % 稳定 29Si 4.67 % 稳定 30Si 3.1 % 稳定 32Si 人造 276 年 β 衰变 0.224 32P 核磁公振特性 29Si 核自旋 1/2 元素名称:硅 元素原子量:28.09 元素类型:非金属 发现人:贝采利乌斯 发现年代:1823 年 发现过程: 1823 年,瑞典的贝采利乌斯,用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热,得到粉状硅。 元素描述: 由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽,呈灰色,密度 2.32-2.34 克/厘米 3,熔点 1410℃,沸点 2355℃,具有金刚石的 晶体结构,电离能 8.151 电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如 Mg、Ca、Fe、Pt 等作用。生成硅 化物。不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液,于赤热温度下,与水蒸气能发生作用。 硅在自然界分布很广,在地壳中的原子百分含量为 16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素,以石英砂和硅酸盐出现。 元素来源: 用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅 而制得。 元素用途: 用于制造高硅铸铁、硅钢等合金,有机硅化合物和四氯化硅等,是一种重要的半导体材料,掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的 晶体管,整流器和太阳能电池等。铝合金的另一种添加元素。也是集成电路上使用的高纯硅的基础原料 元素辅助资料: 硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础,那么硅对于地壳来说,占有同样的位置,因为地壳的主 要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。 长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类;水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是,硅与 氧、碳不同,在自然界中没有单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。 拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。 1823 年,贝齐里乌斯将氟硅酸钾(K2SiF6)与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅,但直到贝齐 里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧,生成二氧化硅——硅土,硅才被确定为一种元素。硅被命名为 silicium,元素符号是 Si。 【gui】 硅 silicon; 硅

guī 〈名〉 一种四价的非金属元素,以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得的,主要 以合金的形式使用(如硅铁合金),也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中,或用作半导体材料(如在晶体管中)和光生电池的元件 [silicon]――元素符号 Si 硅谷 guīgǔ [[[Silicon Valley]]] 美国的高技术密集型新兴城市,位于旧金山南边的圣克拉拉县圣克拉拉谷,以从事半导体-电子工业生产闻名,故 称。后泛称新兴专业性科学城区 硅酸盐 guīsuānyán [silicate] 具有硅酸根的盐,是构成地壳的主要成分。有稳定的化学性质,其硬度大、耐火,可用于制造耐火材料、玻璃、陶瓷、水泥等 硅 guī ㄍㄨㄟˉ 一种非金属元素,是一种半导体材料,可用于制作半导体器件和集成电路。旧称“矽”。 郑码:GBB,U:7845,GBK:B9E8 笔画数:11,部首:石,笔顺编号:13251121121 元素符号 Si,旧称矽,原子序数 14,相对原子质量 28.09,有无定形和晶体两种同素异形体。 晶体硅为钢灰色,无定形硅为黑色,密度 2.4g/cm3,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%,主 要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。 硅,原子序数 14,原子量 28.0855,元素名来源于拉丁文,原意是“燧石”。1823 年瑞典化学家贝采利乌斯首先分离和描述硅元素。硅 约占地壳总重量的 27.72%,仅次于氧。自然界中的硅都以含氧化合物的形式存在。常见的有石英、水晶、沙子等。 硅有晶态和无定形两种形式。晶态硅具有金刚石晶格,硬而脆,熔点 1410°C,沸点 2355°C,密度 2.32~2.34 克/厘米?,硬度为 7。无 定形硅是一种灰黑色粉末,实际是微晶体。晶态硅的电导率不及金属,且随温度升高而增加,具有明显的半导体性质。 硅在常温下不活泼,与空气、水和酸等没有明显作用;在加热下,能与卤素反应生成四卤化硅;650°C,时硅开始与氧完全反应;硅单 质在高温下还能与碳、氮、硫等非金属单质反应;硅可间接生成一系列硅的氢化物;硅还能与钙、镁、铁等化合,生成金属硅化物。 超纯的单晶硅可作半导体材料。粗的单晶硅及其金属互化物组成的合金,常被用来增强铝、镁、铜等金属的强度。


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