了解半导体材料：硅

硅作为一种半导体的使用材料彻底改变了电子工业，开启了数字时代。然而，许多人仍对这种重要的材料的性质和用途一无所知。让我们近距离地了解一下硅，它是什么，怎样生产，用途是什么，以及硅行业的未来可能会有什么发展。
 

 

您可能没有意识到，但硅（Si）在我们日常生活中发挥着重要的作用。作为电力电子制造中使用最广泛的材料之一，你可以在所有智能手机、笔记本电脑、微波炉和LED灯中找到硅。毫不夸张地说，如果没有硅，我们所知道的现代数字世界就不可能存在。

 

 

什么是硅（Si）？

 

硅是一种化学元素，符号为Si。硅位于周期表上的金属和非金属之间，是一种类金属，属于碳族。硅的原子序数为14，原子量为28.086u。硅的熔点为1410 °C，沸点为3265 °C。

 

纯硅极易反应，不会以自由状态存在于自然界。然而，硅最常以氧化物的形式存在于几乎所有的岩石，以及黏土、沙子和土壤中。硅化合物在水中、植物中以及整个大气中都可以找到，并且通常也存在于动物的液体、组织和骨骼中。地壳中氧化硅和硅酸盐的含量仅次于氧，占地壳的27.7%。

 

现代人开始使用硅始于1824年，瑞典化学家约恩斯·雅各布·贝采利乌斯首次成功分离出元素硅，到1854年通过采用电解法才能生产出晶态硅元素。

 

硅被用作合金添加剂在19世纪后期到20世纪这段时间里，研究人员发现硅是一种高效的半导体，并具有绝缘属性。他们发现，当电极附加到硅上时，电流在一个方向上流动更加容易。这个发现使科学家们开始研发可以将交流电转换为直流电的半导体整流器。

 

然而，直到1954年贝尔实验室的化学家莫里斯·塔嫩鲍姆成功制造出第一款硅晶体管。他的工作是基于威廉·朔克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿三位诺贝尔奖得主的发现，这三人在1947年首次发明了晶体管。这些科学家使用硅作为半导体，标志着电子时代的开始。

 

1971年，英特尔利用创新的硅栅技术开发出了第一款计算机微处理器Intel 4004。这项发明引领了今天连接紧密的数字世界。

 

硅是如何制造的？

 

硅在当前市场上几乎所有的电脑和电子设备中都使用硅晶片，而生产这些硅晶片需要一个高度复杂的制造过程。纯硅，也就是多晶硅，是通过首先以电炉反应石英和焦炭来制造金属硅。金属硅被转化为三氯化硅（TCS），采用流化床反应器进行。氢气用来提纯然后分解TCS，结果得到一个多晶硅的棒。再融化用于生产单硅晶或铸锭。这些铸锭被切成晶片，可以用在电力电子元器件中。

 

必须指出，制造过程中会产生大量的废物，制造纯硅过程中使用和生成了许多有毒物质。

 

硅的独特属性为何？

 

纯硅的原子结构使其作为一种半导体非常有效。这就意味着它具有金属的导体性质，也是一个绝缘体，所以硅既可以传导也可以阻挡电流。这种能力使硅成为开关机制的理想之选。纯硅对水、蒸汽和酸有抗性，并可用来形成合金、氧化物和氮化物。

 

硅何时会被替代？

 

尽管硅被广泛应用，但研究人员正寻找更高效的材料取代它。其中一种可能的替代品是氮化镓（SiC）。作为一种半导体材料，碳化硅的性能优于硅，更具效率和耐力，尤其在功率密度和温度稳定性方面表现卓越。

 

硅在现代社会中的应用广泛，几乎无处不在。然而，随着技术的发展和新材料的发现，硅的地位也许会受到挑战。但此时此刻，硅仍然是电子和信息技术行业的重要元素，塑造着我们的数字世界。