碳族元素——硅和硅氢化物、硅氧化物选讲.pptVIP

硅、硅烷和二氧化硅 第13章 碳族元素 作者：GN 硅 (Si) silicon 二氧化硅 silica 目录 四氢化硅 silicon hydride 单晶硅性质；单晶硅具有金刚石晶格。晶体硬而脆具有金属光泽。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性（但导电率不及金属）。单晶硅是重要的半导体材料，可以做成太阳能电池。将辐射能转变为电能。在开发电能方面是一种很有前途的材料。 多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。利用价值：从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。 硅 旧称“矽”。在自然界中，没游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位。 硅有两种晶型无定形及晶形两种同素异体。前者为深灰黑色粉末，后者为银灰色。 图13.1 晶体硅（左二单晶硅，右二多晶硅） 晶体硅结构与金刚石相同，属原子晶体，熔、沸点高，硬而脆，有金属光泽，能导电， 但导电率不及金属，且随温度的升高而增加，可用作半导体。 常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硫酸、硝酸等起反应。在加热条件下，硅能跟一些金属和非金属反应。 图13.2 晶体硅的结构 每个硅原子均以sp3杂化状态与相邻的四个硅原子结合成键，形成正四面体构型、空间网状结构的原子型晶体。 (1) 在通常情况下，硅非常惰性，但加热时与许多非金属单质化合，还能与某些金属反应。 2Mg + Si Mg2Si (2) 硅遇到氧化性的酸发生钝化性(passivation),它可溶于HF－HNO3的混合酸中： 3Si + 4HNO3 + 18HF 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O SiF4 + 2H2，SiF4 + 2HF H2SiF6 硅与氢氟酸反应：Si + 4HF K2SiO3 + 2H2↑ (3) 硅溶于碱并放出H2：Si + 2KOH + H2O H2SiO3 + 2H2 (4) 硅在高温下与水蒸气反应：Si + 2H2O(g) 有关其性质的反应如下： 生产硅的原料为SiO2，其存在极为广泛，在电炉中获得1800℃的高温以碳还原之；SiO2+2C=Si+2CO 上述反应制得的是粗硅，生产纯度较高的柜式需提纯，首先在加热条件下使硅与氯气反应得到液态SiCl4； Si+2Cl2(g)=SiCl4(l) 然后通过精馏来提纯SiCl4，最后用活泼金属锌或镁来还原SiCl4的纯度较高的硅 。 SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2 用途：高纯硅主要用于制作半导体，可用于制作半导体器件和集成电路。 掺杂磷，磷成键后还多一个电子→n型半导体；掺杂硼，硼成键后还缺少一个电子→p型半导体。 单质硅的生产与纯化 单晶硅即硅的单晶体，是具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿；是制造半导体硅器件的原料，用于半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 　　 　　　 　单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。 硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。 单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。 直拉法伸长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。 区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。 外延片主要用于集成电路领域。 【扩展知识：单晶硅及其应用】 现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用：半导体芯片集成电路的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备，晶体硅太阳能电池有着其它电源无法比拟的巨大优势…… 硅与碳相似有一系列氢化物，不过由于硅自相结合的能力比碳差，生成的氢化物要少得多。到目前为止，已制得的硅烷不到12种，其中有其中有SiH4、Si2H6、Si3H8、Si4H10、Si5H12以及Si6H14等。即一硅烷到六硅烷，可以用通式SiH2n+2(