硅材料是什么

硅材料是一种半导体材料，以硅元素为基础，广泛应用于电子器件和集成电路中。它具有优良的电学和热学性能，是现代电子工业的核心材料。

硅，化学元素符号为Si，是一种关键的半导体材料，以其高纯度、优良的电学和机械性能在电子工业中占据着举足轻重的地位。硅的产量和应用范围是衡量一个国家电子工业发展水平的重要指标。

硅材料的研究与硅器件的生产是相互促进的关系。在第二次世界大战期间，硅被用于制造雷达的高频晶体管检波器，尽管当时使用的硅纯度不高且非单晶。1950年，硅晶体管的诞生激发了制备优质硅单晶的兴趣。随后，1952年直拉法（CZ）成功培育出硅单晶，1953年无坩埚区域熔化法（FZ）的研发，使得硅的物理提纯和单晶拉制成为可能。1955年，锌还原四氯化硅法开始用于生产纯硅，但纯度仍不足以满足晶体管制造的需求。1956年，氢还原三氯氢硅法的研究成功，经过一段时间的探索，这种方法成为制备硅的主要途径。到了1960年，该方法已在工业生产中得到广泛应用。硅整流器和硅闸流管的问世进一步推动了硅材料生产的增长，使其成为半导体材料中的佼佼者。60年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺的发展，不仅使硅晶体管制造技术更加成熟，也促进了集成电路的快速发展。到了80年代初，全球多晶硅的产量已达到2500吨。硅还是一种有潜力的太阳能电池材料，多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟，非晶硅膜的研究进展迅速，非晶硅太阳电池也开始进入市场。

化学成分

硅作为元素半导体，其电活性杂质磷和硼的含量需分别控制在0.4ppb和0.1ppb以下。在拉制单晶过程中，需要掺入一定量的电活性杂质，以获得所需的导电类型和电阻率。重金属如铜、金、铁以及非金属碳都是对硅性能有害的杂质，它们的存在会恶化PN结的性能。硅中的碳含量较高时，会被认为是低碳单晶，而当碳含量超过3ppm时，其有害作用变得显著。硅中的氧含量也较高，氧的存在对硅既有利也有弊。直拉硅单晶的氧含量在5～40ppm范围内，而区熔硅单晶的氧含量可低于1ppm。

硅的性质

硅展现出优异的半导体电学特性。其禁带宽度为1.12电子伏，载流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米²/伏·秒，空穴迁移率为480厘米²/伏·秒。本征电阻率在室温（300K）下高达2.3×10⁵欧·厘米，掺杂后电阻率可控制在10⁴～10⁻⁴欧·厘米的宽广范围内，满足制造各种器件的需求。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长，介于几十微秒至1毫秒之间。

硅还具有较大的热导率和稳定的化学性质，易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中，氧化膜可用于实现PN结表面钝化和保护，还能形成金属-氧化物-半导体结构，用于制造MOS场效应晶体管和集成电路。这些性质使得PN结具有良好的特性，硅器件具备耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导优良，并能在200°C高温下运行等优点。