科普 | 半导体常用材料——硅的特性介绍

科普 | 半导体常用材料——硅的特性介绍

半导体广泛应用于家电、工业器械、数码产品等设备和领域中。在半导体生产过程中，硅（Si）是最常用的生产材料。

硅是地球上储备量第二的元素，仅次于氧，主要存在于土壤、岩石、天然水以及植物中。由于硅在自然界中主要以化合物形式存在，因此需要经过复杂的提纯过程才能得到可用于半导体制造的高纯度单晶硅。

硅的物理特性

硅是一种脆而硬的结晶固体。具有蓝灰色的光泽。与元素周期表上邻近的元素相比，硅的化学活性相对较低。硅的符号是原子序数为14的Si。它的熔点和沸点都很高。在标准条件下，硅也会像元素周期表上的其他14族元素一样形成巨大的共价结构。

Silicon Crystal Lattice 3D Model | TurboSquid

硅的化学特性

硅元素在自然界中主要以化合物状态存在。这些化合物在常温下的化学性质十分稳定。而在高温下，硅几乎可以与所有物质发生化学反应。例如，硅和氧气在高温下发生反应生成SiO₂，硅与水蒸气在高温下反应生成SiO₂和氢气。

但是，硅对多数酸性物质都相对稳定，其不与盐酸 (HCl)、硝酸 (HNO₃)、硫酸 (H₂SO₄) 和王水等反应，但硝酸 (HNO₃) 和氟化氢 (HF) 的混合溶液可以腐蚀硅。

硅的光学特性

室温下，硅的禁带宽度为1.12eV，理论上不吸收红外光。单晶硅在红外波段的折射率为3.5。高纯硅在近红外波段 (1.1-1.5μm) 几乎是透明的；而当在硅中掺杂时，随着掺杂浓度的变化，其光学性质也会发生变化。如下图所示，N型硅随着掺杂浓度的增加，载流子对光的吸收随之增加。

室温下N型硅的掺杂浓度与波长的关系 | SemanticScholar

硅的力学特性

硅晶体硬度高，抗拉强度大，但在室温下没有延展性，是典型的脆性材料，较为易碎。因此可加工性较差。随着温度的增加，硅的屈服应力逐渐降低。其脆性转变为塑性的温度约为750-800°C。

硅材料的屈服应力与环境温度的关系 | J. Rabier & J.L. Demenet

硅的电学特性

高纯的硅单晶，绝大多数原子都与相邻的四个原子形成共价键。晶体内几乎没有多余电子和空穴，因此导电性很差。但一旦晶体内出现其它杂质元素，这些杂质可能会引入额外的电子或空穴（统称为载流子），从而提升其导电性能。

根据掺杂元素不同，形成了两种典型的掺杂硅。如下图所示，分别为P型硅和N型硅。其中，在硅单晶中掺杂硼，会引入空穴，得到P型硅；而在硅单晶中掺杂磷，会引入电子，得到N型硅。未掺杂的高纯硅称为本征硅，其导电性能非常差。

N型硅与P型硅的半导体结构 | 图源网络