基本介紹
- 中文名：晶體矽
- 外文名：Crystalline Silicon
- 類別：原子晶體
- 化學式：Si
- 顏色：灰黑色
- 熔點：1410℃
- 鍵長：2.3515
- 分類：多晶矽、單晶矽
- 沸點：2355℃
- 電離能：8.151eV
簡介,結構,晶胞,共價四面體,內部空隙,性質,製備,單晶矽,多晶矽,用途,切割回收方法,物理回收方法,化學回收方法,間接回收技術,發展,
簡介
性質概括：帶有金屬光澤的灰黑色固體、硬度大、有脆性、常溫下化學性質不活潑.
晶體矽：一個直徑75mm的矽片，可集成幾萬至幾十萬甚至幾百萬個元件，形成了微電子學，從而出現了微型計算機、微處理機等。由於當前信息工程的發展，矽主要用於微電子技術。以矽晶閘管為主的電力半導體器件，元件越做越大，與矽電晶體相比積體電路正相反，在直徑為75mm的矽片上，只做一個能承受幾kA電流和幾kV電壓的元件，這種元件滲透到電子、電力、控制3個領域就形成了一門新學科——電力電子學。為適應大規模積體電路的發展、單晶矽正向大直徑、高純度、高均勻性，無缺陷方向發展。最大矽片直徑已達150mm，實驗室的高純矽接近理論極限純度。常用的太陽能電池是矽電池。如果在1平方米麵積上鋪滿矽太陽電池，就可以得到100W電力。單晶矽太陽能電池的性能穩定，轉換效率高，體積小，重量輕，很適合作太空太空飛行器上的電源。美國的大型太空飛行器——太空實驗室上就安裝有4塊太陽能電池帆板，它們是由147840塊8平方厘米大小的單晶矽太陽能電池排列組成的，發電功率大約為12KW。
結構
晶體矽結構為金剛石結構。
晶胞
共價四面體
矽晶體中雖然不等價原子的環境不完全相同，但任何一個原子中都有4個最近鄰的原子，與之形成共價鍵。一個原子處在正四面體的中心，其它四個與它共價的原子位於四面體的頂點，這種四面體成為共價四面體。
內部空隙
金剛石結構的另一個特點是內部存在著相當大的空隙。
性質
化學及物理性質
單晶矽具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性。超純的單晶矽是本徵半導體。在超純單晶矽中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成p型矽半導體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成n型矽半導體。
製備
單晶矽
1 坩堝直拉法
用直拉法制單晶矽的設備系用T D K - 4 0 型或T D K - 3 6 A Z型單晶爐。爐內有爐室和拉制室，兩室中間有閘閥。一般使用電阻加熱，溫度和晶體直徑均採用自動控制，在純氬氣氣氛下進行常壓或減壓拉晶。減壓拉晶工藝不但能改善晶體生長條件，而且有助於降低晶體中碳的含量。拉晶前將設備各部件、合金石英坩堝、多晶矽和籽晶進行清潔處理。流程採用共熔和投入摻雜法，摻雜量由理論計算，並需經實踐加以修正。多晶矽和籽晶裝爐後，在流通的氬氣氣氛下，人工引晶放肩和收尾。晶體的等徑生長過程中，需根據情況適當調節功率，使其獲得直徑均勻的產品。
2 區域熔煉法
矽的區熔提純採用懸浮區熔法，區熔過程對多晶矽中分凝係數小的雜質有一定的提純作用，但對分凝係數大的雜質如硼則不起作用。多晶矽能用化學方法提純(如三氯氫矽精餾及氫還原)得到很高的純度，因此區熔法在矽的生產中，一般作為製作單晶的手段，而不作為提純手段。在區熔爐爐室內，將矽棒用上下夾頭保持垂直，有固定晶向的籽晶在下面，在真空或氬氣條件下，用高頻線圈加熱( 2 ～3MHz)，使矽棒局部熔化，依靠矽的表面張力及高頻線圈的磁力，可以保持一個穩定的懸浮熔區，熔區緩慢上升，達到製成單晶或提純的目的。設備及原料經清潔處理後裝爐，抽真空或充氬氣。在氬氣下高頻加熱進行區熔提純單晶。設備為QRL-20型區熔爐、高頻發生器及FC-16型磁飽和電抗器配套作生產主機。預熱、引晶、放肩、等徑、收尾等過程由人工控制。
多晶矽
多晶矽呈灰色或黑色且有金屬光澤的等軸八面晶體，是製造單晶矽的原料。矽屬半金屬，是極為重要的元素半導體材料。多晶矽的生產，除個別工廠採用矽烷熱分解法外，一般都採用氫還原三氯氫矽方法。
三氯氫矽法
包括三氯氫矽的合成和三氯氫矽的還原兩部分。
(1)三氯氫矽的合成
用金屬矽和氯化氫為原料，在流態化氯化爐中進行反應，三氯氫矽的沸點為31.5℃，與絕大多數雜質的氯化物揮發溫度相差較大，所以可用精餾法提純。三氯氫矽極易揮發和水解，產生強腐蝕的鹽酸氣，因此精餾設備必須防止水汽和空氣混入。小規模生產超純矽可採用聚四氟乙烯，特製玻璃或石英作為精餾設備材料，大規模生產則須採用耐腐蝕的金屬或合金材料以免銅、鐵、鎳等重金屬雜質混入而影響超純矽的質量。
(2)三氯氫矽的還原
在超低碳的不鏽鋼或鎳基合金製成的水冷爐壁還原爐內，用氫將三氯氫矽還原成矽。爐內有不透明石英鐘罩(有透明石英內層和觀察孔)和用細矽芯或鉭管制成的發熱體。細矽芯是用超純矽在特製的矽芯爐內製成。在進行化學氣相沉積之前，由於矽在常溫時電阻率很高，因此矽芯須在石英罩外用電阻加熱至300℃或用幾千伏的高壓電啟動。經過提純的氫氣(含水蒸汽量很少，露點在-70℃以下)在揮發器中將三氯氫矽自爐底帶入爐內，於1100～1150℃進行還原反應，使矽沉積在發熱體上，三氯氫矽氫還原法所生產的多晶棒，供區域熔煉法生產單晶矽用的矽棒直徑為50～100mm。供直拉法生產單晶用的矽棒直徑為50～150mm。還原尾氣中的三氯氫矽和四氯化矽在-80℃以下冷凝回收，氫氣淨化後可以循環使用。三氯氫矽氫還原製取超純矽的方法沉積速度較慢，一般不超過0.5mm/h。消耗電能很多，副產品四氯化矽量大，因此研究了很多新的綜合利用方法。根據已發表的資料，其中最有前途的方法是將四氯化矽轉化為三氯氫矽、二氯二氫矽、矽烷，然後還原或分解成為超純多晶矽。
用途
1， 半導體材料
由於矽半導體耐高電壓、耐高溫、晶頻寬度大，比其它半導體材料有體積小、效率高、壽命長、可靠性強等優點，因此被廣泛用於電子工業積體電路的生產中。高純的單晶矽是重要的半導體材料。在單晶矽中摻入微量的第IIIA族元素，形成P型矽半導體另外廣泛套用的二極體、三極體、晶閘管和各種積體電路（包括我們計算機內的晶片和CPU)都是用矽做的原材料。
2， 太陽能光伏電池板
多晶矽可以直接用於製造太陽能光伏電池板，或加工成單晶矽後再用於製造光伏電池板。先將矽料鑄錠、切片或直接用單晶矽棒切片，再通過在矽片上摻雜和擴散形成PN結，然後採用絲網印刷法，將銀漿印在矽片上做成柵線，經過燒結，同時製成背電極，並在有柵線的面上塗減反射膜等一系列工藝加工成太陽能電池單體片，最後按需要組裝成太陽能電池板。目前，矽光伏電池占世界光伏電池總產量的98% 以上，其中多晶矽電池約占55% ，單晶矽電池約占36% ，其它矽材料電池約占70%。由於多晶矽光伏電池的製造成本較低，光電轉換效率較高(接近20%)，因而得到快速發展。
3， 積體電路
這是將成千上萬個分立的晶體體管、電阻、電容等元件，採用掩蔽、光刻、擴散等工藝，把它們集成一個或幾個尺寸很小的晶片上，集結成一個以幾個完夠的電路。積體電路大大減小了體積、重量、引出線和焊點數目，並提高了電路性能和可靠性，同時降低了成本，便於批量生產，使計算機工業飛速發展。
4， 探測器
由對光照敏感的PN結或PIN結構成的光生伏打型的探測器。PIN結不是突變的PN結，而是在結的P和N側之間加入本徵區I層。該結構的光照表面（如P）區做得較薄，使入射光進入本徵區而被吸收，產生空穴-電子對。本徵區的強電場使載流子快速飄移，通過本徵區。因此，PIN結相同材料的PN結構相比，其回響時間更短。
5，感測器
矽的感測器有壓阻感測器，它是將壓力轉化為電信號。矽片受外力作用時晶格形變，使得電阻率改變。熱敏電阻，利用矽的負溫度係數效應，當溫度升高時，載流子濃度增加，使得電阻率下降。
矽還可用於光敏感測器和磁敏感測器等。
切割回收方法
物理回收方法
物理沉降法、重液分離法、泡沫浮選法、電泳分離法（垂直電泳分離、電選分離法）、高溫處理法。
化學回收方法
回收單質矽、製備含矽產品。
間接回收技術
間接回收技術通常不分離出廢砂漿中的矽粉，而是將矽粉和碳化矽都作為原料製備其它產品。
發展
1994 年全世界太陽能電池的總產量只有 69 MW，而 2004 年就接近 1200 MW，在短短的 10 年裡就增長了 7 倍。專家預測太陽能光伏產業在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎能源之一。
