章硅和锗化学制备
半导体材料硅和锗的化学制备
四面体结构
14
二、SiHCl3的制备 原料：干燥的HCl气体和硅粉（工业硅）
15
反应方程式：Si+3HCl 副反应： SiHCl3+HCl 2SiHCl3 Si+4HCl 4SiHCl3 2Si+7HCl Si+2HCl 副产物：
280-300℃
SiHCl3+H2+309.2kJ/mol
SiCl4+H2 Si+SiCl4+2HCl SiCl4+2H2 Si+3SiCl4+2H2 SiHCl3+SiCl4+3H2 SiH2Cl2
第一章 硅和锗的化学制备
1.1 硅和锗的物理化学性质
一、Si和Ge物理性质
Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素 Si——银白色 Ge——灰色 晶体硬而脆 二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体 积收缩(锗收缩5.5％，而硅大约收缩10％)
1
2
3
Si 室温Eg 本征电阻率 1.106 2.3× 105
SiH4+2O2
SiO2+2H2O
(b)易与水、酸、碱反应： SiH4+H2O Si(OH)4+2H2
SiH4+2NaOH+H2O=Na2SiO3+4H2
10
（c)具有强的还原性 SiH4+2KMnO4 （d)与卤素反应发生爆炸 SiH4+4Cl2=SiCl4+4HCl 2MnO2
褐色 +K2SiO3+H2O+H2
粗硅的制备方法：石英砂和焦炭在碳电极的电弧炉中还原制得。 反应方程式： SiO2+C 1600-1800℃ SiC+2CO
半导体材料1-2章硅、锗的化学制备 区熔提纯课后答案
第一章硅、锗的化学制备㈠比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?答：1.S i HCl3氢还原法:优点: 产量大、质量高、成本低，由于S i HCl3中有一个S i-H键，活泼易分解，沸点低，容易制备、提纯和还原。
缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要杂质。
2.硅烷法：优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。
缺点: 制备过程的安全性要求高。
㈡制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯1.以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有固相和液相。
由图中可知，固相中杂志含量Cs<C L（液相中杂志成分）。
1、这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。
2、在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=C S/C L叫作平衡分凝系数。
3、为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，把固相杂质浓度C S与熔体内部的杂质浓度C L0的比值定义为*有效分凝系数。
K eff=C S/C L02.推导BPS公式，说明各个物理量的含义并讨论影响分凝系数的因素。
答：*BPS公式推导：书P21~P23式中：K0为平衡分凝系数；K eff为有效分凝系数；f为固液相面的的移动速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。
影响分凝系数的因素：①当f 远大于D/δ时, fD/δ→+∞,exp(-fD/δ) →0,Keff→1,即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。
②当f 远小于D/δ时, fD/δ→0,exp(-fD/δ) →1,Keff→K0,分凝效果明显。
③扩散层厚度和扩散系数，D/δ越小，分凝结果越差。
第1章 硅和锗的化学制备
第一章硅和锗的化学制备第章和锗的化学制备§1-1 硅和锗的物理化学性质1、Si和Ge的物理性质Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素Si——银白色Ge——灰色二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体积收缩（锗收缩5.5%，而硅大约收缩10%）55%而硅大约收缩符硅锗性质号单位原子序数Z1432原子量W28.0872.60原子密度 5.22×1022 4.42×1022个/cm3晶体结构金刚石型金刚石型晶格常数a0.54310.5657nm密度d 2.329 5.323g/cm3熔点T1417937℃m沸点T b26002700℃热导率χ 1.570.60W/cm℃W/cm·比热C P0.69500.3140J/g· ℃线热胀系数α 2.33×10 5.75×10cm℃233-6575-6cm·-1性质符号硅锗单位熔化潜热Q 3956534750J/mol 冷凝时膨胀d v+9.0+5.5%介电常数ε11.716.3禁带宽度1153075（0K ）E g 1.1530.75eV (300 K) 1.1060.67eV 电子迁移率13503900/V μn cm 2/V·s 空穴迁移率μP 4801900cm 2/V·s 电子扩散系数D n 34.6100.0cm 2/s 空穴扩散系数D P 12.348.7cm 2/s 本征电阻率p i 2.3×10546.0Ω·cm 本征载流子密度n 1.5×1010 2.4×1013cm -34i 杨氏摸量E1.9×107N/cm 2从硅锗的主要物理性质可以看出：1、硅的禁带宽度比锗大，电阻率比锗大四个数量级，Si 可用做高压器件，且工作温度比锗器件高；器件高2、锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件。
2、Si和Ge的化学性质室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与强酸、强碱作用。
第二章硅锗的区熔提纯ppt课件
影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝 系数和熔区长度
2-2-4影响区熔提纯的因素
1.熔区长度
(1)一次区熔时 Cs=C0[1-(1-K)e-kx/l] l 大,Cs 小提纯效果好
l越大越好 (2)极限分布时(K一定) l 大,B 小A 大Cs(x) 大提纯效果差
分凝系数:
用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同
一 平衡分凝系数K0
2－1－2平衡分凝系数和有效分凝系数
➢平衡分凝系数（适用于假定固相和液相达到 平衡时的情况）
K0=Cs/ Cl
Cs:杂质在固相晶体中的浓度 Cl:杂质在液相熔体中的浓度
• (1) △T=TL-Tm ＜0(TL体系平衡熔点；Tm纯组分 熔点),
f与区熔次数产生矛盾? 如何解决
➢对策：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔,即 使n/(f/D)最小
➢实际操作中的对策: 实际区熔速度的操作规划是选f/D近似于1
3.区熔次数的选择
区熔次数的经验公式
n=(1~1.5)L/l n:区熔次数 L:锭长 l:熔区长度 20次左右最好
4.质量输运(质量迁移)
• 界面附近靠近固体端,杂质浓度高,
靠近熔体端,杂质浓度低.
• (2) K0 ＞ 1 CS ＞ CL,固体中的杂质浓度大,因此固
相界面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质, 使得界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态,这一 薄层称为贫乏层.
• 为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中 的杂质浓度关系,引出有效分凝系数
• (1)当K0 ＜1时
CS＜CL,即杂质在固体中的浓度小,从而使结晶时, 固体中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体
半导体材料（复习资料）
半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。
第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。
硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。
2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。
注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。
2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。
最新半导体材料第2讲-硅和锗的化学制备ppt课件
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的绝对值很大时，基本上决定了rGm 的值，所以可
以用来近似地估计反应的可能性。
➢ 二、硅烷法 ➢ 主要优点： 1. 除硼效果好 2. 无腐蚀性 3. 分解温度低，不使用还原剂，效率高，有利
于提高纯度 4. 产物中金属杂质含量低，(在硅烷的沸点-
111.8℃下，金属的蒸气压低) 5. 外廷生长时，自掺杂低，便于生长薄外廷层。
➢ 高纯硅纯度的表示方法： ➢ 高纯硅的纯度通常用以规范处理后，其
中残留的B、P含量来表示，称为基硼量、 基磷量。
➢ 主要原因： 1 、硼和磷较难除去 2、硼和磷是影响硅的电学性质的主要杂质。 ➢ 我国制备的高纯硅的基硼量≤5×10-11；基
磷量≤5×10-10
Kp 经验平衡常数
反应达平衡时，用反应物和生成物的实际压力、摩 尔分数或浓度代入计算，得到的平衡常数称为经验平衡 常数，一般有单位。例如，对任意反应：
d D e E g G h H
1. 用压力表示的经验平衡常数 K p
KpppG D gdppH E he BpBB
对于主反应：
k p
p1Sip3 HClp p 11SiHC3l
H2
rG m rG m RlT n Q p
只能用
(G) r m T,p,wf0
判断反应的方向。但是，当
r
G
间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏等等。
简单蒸馏又称微分蒸馏 简单蒸馏的基本流程如图
所示。 一定量的原料液投入蒸馏
釜 中，在恒定压力下加热气
化，陆续产生的蒸汽进入冷 凝器，经冷凝后的液体（又 称馏出液）根据不同要求放 入不同的产品罐中。
由于整个蒸馏过程中，气 相的组成和液相的组成都是 不断降低的，所以每个罐子 收集的溶液的组成是不同的 ，因此混合液得到了初步 的分离。
锗和硅的化学制备
锗和硅的化学制备
目
CONTENCT
录
• 引言 • 锗的化学制备 • 硅的化学制备 • 锗硅合金的制备 • 实验结果讨论 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
01
锗和硅作为重要的半导体材料， 在电子工业中有广泛应用。
02
随着科技的不断发展，对锗和硅 的纯度、性能等要求不断提高， 因此需要研究其化学制备方法。
锗和硅的性质与应用
系统研究了锗和硅的物理化学性质，如晶体结构、电学性 能、光学性能等，并探讨了它们在电子、光电、半导体等 领域的应用前景。
对未来研究的建议
深入研究制备机理
探索新的制备方法
加强应用研究
尽管已经取得了一些成果，但 对于锗和硅的制备机理仍需深 入研究，以便更好地控制制备 过程，提高产品质量和产量。
将混合物在高温下进行反应，通常温 度需要达到1400℃以上。
产物表征与分析
化学成分分析
通过化学分析方法，如X射线荧光光谱分析、原子吸收光谱分析等， 确定产物的化学成分及含量。
物理性质测试
通过测试产物的密度、硬度、熔点等物理性质，判断产物的纯度和 质量。
结构表征
利用X射线衍射、电子显微镜等手段，对产物的晶体结构和微观形 貌进行表征，以了解产物的结构和性质。
还原剂
如氢气、碳等，用于将硫酸锗还原为金属锗。
制备方法与步骤
80%
矿石破碎与溶解
将锗矿石破碎成小块，与浓硫酸 混合并加热，使氧化锗溶解于硫 酸中。
100%
还原反应
向硫酸锗溶液中加入还原剂（如 氢气或碳），加热反应，使硫酸 锗还原为金属锗。
80%
产物分离与纯化
通过过滤、洗涤、干燥等步骤， 将金属锗从反应体系中分离出来 ，并进行进一步的纯化。
第一章.硅和锗的化学制备
3. GeCL4的水解
❖ 由高纯四氯化锗得到高纯二氧化锗
GeCL4+4H2O=Ge(OH)4+4HCL Ge(OH)4= GeO2+2H2O 总方程式: GeCL4+4H2O= GeO2+2H2O+4HCL
3. GeO2氢还原
由高纯二氧化锗得到高纯锗
GeO2+2H2= Ge+2H2O(温度650 ℃) 实际的反应：
❖ 原料 石英砂（SiO2), 碳（来自焦炭、煤、木屑）
❖ 反应原理
SiO2+2C=Si+2CO(1600~1800OC) 反应温度下硅是气相，然后凝固成固相
❖ 粗硅的用途：
铝 60% 钢铁5% 硅油5% 半导体小于5% (因为纯度不够高,不能满足半导体器
件的要求)
1.2.1 三氯氢硅氢还原法
480
Ge
Ⅳ族 28 灰色 16.3 0.67eV 46 3900
1900
二 、 化学性质
❖ 室温下
稳定,与空气,水,硫酸(H2SO4),硝酸(HNO3) 不反应； 与氟,氢氟酸,强碱 反应
❖ 高温下
活性大,与O2 ,水,卤族(第七族),卤化氢,碳等反应
与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定) 与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）
化学性质:十分稳定
常温下, 不与水反应 只与HF,强碱反应
除去硅片 上的SiO2
SiO2+4HF=SiF4+2H2O
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+2H2O
四. 硅烷 (SiH4) 和 锗烷(GeH4)
❖ 活性高,空气中能自燃,-190℃下可发生爆炸 SiH4+2O2 →SiO2+2H2O
第一章 硅和锗的化学制备.
二 半导体材料的发展
• 对于半导体材料的电现象的认识，自十 八世纪以来就有了，但是真正巨大的发 展却是半个世纪以来的事，两种重要力 量推动了这个进程：
– 应用的需求(应用范围,器件需求) – 制备技术和实验技术的提高(MBE,MOCVD等)
• 1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法锗单晶 • 1952年，W.G.Pfann区熔提纯技术高纯锗、 G.K.Teal直拉法硅单晶，P.H.Keck悬浮区熔技 术，提高硅的纯度 • 1955年，SIMENS在硅芯发热体上用氢还原三氯 化硅法制得高纯硅。 • 1957年，工业化生产。 • 1958年，W.C.DASH无位错硅单晶，为工业化大 生产硅集成电路作好了准备。 • 六十年代初，外延生长锗、硅薄膜工艺，与硅 的其它显微加工技术相结合，形成了硅平面器 件工艺。
与O2反应: SiH4+2O2 →SiO2+2H2O 与水反应: SiH4+ 4H2O →Si(OH)4+2H2 与碱反应: SiH4+ 2Na(OH)+H2O →Na2SiO3+2H2O 与卤素反应: SiH4+4CL2 →SiCL4+4HCL 如何检测硅烷的存 不稳定性 : SiH4= Si ↓ + 2H2可用于制备 在? 高纯度的硅和锗 GeH4= Ge ↓ + 2H2 还原性: SiH4+2KMnO4 →2MnO2↓+K2SiO3+H2O+H2↑
半导体材料课件硅和锗的化学制备 硅和锗的化学制备
32 4.42×1022
晶体结构
金刚石型
金刚石型
晶格常数(nm)
0.5431
0.5657
熔点(℃)
1417
937
介电常数
11.7
16.3
禁带宽度(eV)
1.12
0.67
电子迁移率(cm2/V⋅s)
1350
3900
空穴迁移率(cm2/V⋅s)
480
1900
本征电阻率Ω⋅cm
2.3×105
46.0
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
¾ 高温下硅与Cl2反应生成SiCl4。 ¾ 高温下硅与HCl反应生成SiHCl3。
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
二、硅和锗的化学性质
硅（锗）镁合金与无机酸或卤铵盐反应可制备硅 （锗）烷(SiH4或GeH4)。 ¾Mg2Si+4HCl ═ SiH4+2MgCl2 ¾Mg2Si+4NH4Cl ═ SiH4+4NH3+2MgCl2 硅烷和锗烷高温分解可制备高纯硅和锗。
二、硅和锗的化学性质
室温下性质较稳定，不溶于单一的强酸，只能与强 碱及氟化物反应。 ¾Si+2F2 ═ SiF4 ↑ ¾Si+4HF ═ SiF4↑ + 2H2↑ ¾Si+2NaOH+H2O ═ Na2SiO3+2H2↑ 高温下化学活性大，可与氧、卤素、卤化氢、碳、 氮气、硫及熔融金属发生反应。
¾ 高温下硅与O2、H2O反应生成SiO2。（平面工艺 掩膜）
第1章 硅和锗的化学制备
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
第1章 硅和锗的化学制备
1-1 硅和锗的物理化学性质 1-2 高纯硅的制备 1-3 锗的富集与提纯
硅和锗的化学制备1
高则SiHCl3含量低，SiCl4增多。
因为SiCl4结构具有高度的对称性，硅原子与氯原子以 共价键的形式结合。当t = 600℃时，SiCl4也不分解，而 SiHCl3的分子结构是不对称的，硅原子和氢原子的结合近似 离子键，不稳定，400℃就开始分解，550℃时分解加剧， 所以反应温度的控制非常重要。
气体分布板:
气体分布板的作用是使气
SiHCl3出口 加料孔
5
体进入炉体以前得到均匀分
布，保证流态化过程均匀而 稳定地进行。种类有：风帽 （泡罩）式、平板多孔、磁 球。
扩大 部分
出 水 4 3 2 1
进 水
风帽式优点：床层内温度
均匀，床层压差波动微小， 能适应不同的料层高度， SiHCl3含量较高。
（6）系统压力 SiHCl3合成炉内压力一般不超过0.05MPa， 系统压力过大，沸腾炉内HCl的流速小进气量
小，反应不好，SiHCl3含量低产量小。
为增加SiHCl3的产率，必须控制好工艺条件，使副
产物尽可能的减少。
较佳的工艺条件：
1. 2.
反应温度280-300℃ 向反应炉中通一定量的H2，与HCl气的比值应保持 在1：3~5之间。 硅粉与HCl在进入反应炉前要充分干燥，并且硅粉
1.2 高纯硅的化学制备方法
主要制备方法有： 1、三氯氢硅还原法 产率大，质量高，成本低，是目前国内外制备 高纯硅的主要方法。
2、硅烷法 优点：可有效地除去杂质硼和其它金属杂质 ，无腐蚀性，不需要还原剂，分解温度低， 收率高，是个有前途的方法。 缺点： 安全性问题 3、四氯化硅还原法 硅的收率低。
SiHCl3出口 加料孔
半导体材料硅锗混晶的制备及应用研究
半导体材料硅锗混晶的制备及应用研究随着信息技术的不断发展，半导体材料的重要性与日俱增。
硅锗混晶材料是一种重要的半导体材料，具有优异的电学性能和光学性能，因此在信息存储、光通信等方面有广泛的应用。
本文将从硅锗混晶的制备和应用两个方面，探讨其研究现状和未来发展趋势。
一、硅锗混晶材料的制备硅锗混晶是指硅和锗两种原子在晶格中的混合。
硅和锗两种元素的价态是相同的，因此它们能够在晶格中任意的替换位置。
混晶的生成会对材料的物理性质产生影响，比如硅锗混晶可以改变硅材料的能隙，增强材料的导电性。
所以研究硅锗混晶材料的制备方法，对制备高品质硅锗混晶材料非常重要。
当前，制备硅锗混晶材料的方法主要有两种：物理气相沉积法和分子束外延法。
物理气相沉积法是将物质蒸发在真空或惰性气体环境下，形成薄膜或晶体。
这种方式期望了一种理想情况，即蒸发时决不发生反应，蒸发的材料以原子或分子方式到达硅片表面上，由于杂质材料含量少，生成的硅锗混晶材料纯度高。
但是，由于薄膜沉积是通过气相转华和反应而实现的，所以其沉积速率较慢，需要较高的温度维持反应。
分子束外延法是将高速分子束瞄准到晶体表面，实现在低温下瞬间沉积的一种方法。
该方法采用分子束技术，硅和锗材料被分别蒸发，在真空环境下制备硅锗混晶材料。
这样生成的硅锗混晶材料具有非常优秀的电性能和结构性能，同时也是制备大面积硅锗混晶的最佳方法。
但该方法需要对硅和锗材料进行复杂的处理和高温退火，工艺流程复杂，制备成本也较高。
二、硅锗混晶材料的应用硅锗混晶材料是光电子材料和微电子材料中非常重要的一类材料。
它具有宽的光谱范围，高电导率和较低的导电阻抗，并且在较宽的光谱范围内具有较高的折射率和较低的斯托克斯移位，可以应用于太阳能电池、光纤通信等许多领域。
硅锗混晶材料在太阳能电池和其他光电转换器中具有广泛的应用前景。
由于其宽的光谱响应范围，可以在低温环境下用于太阳能电池，与普通硅太阳能电池相比，其光响应波长范围宽，可以产生更多的电能。
一种硅锗合金复合材料的制备方法及其应用与流程
一种硅锗合金复合材料的制备方法及其应用
与流程
《一种硅锗合金复合材料的制备方法及其应用与流程》
嘿，大家好呀！今天我要给你们讲讲一种超厉害的硅锗合金复合材料是咋弄出来的，还有它能干啥以及整个流程是咋样的。
就说有一次啊，我在实验室里，那真的是各种瓶瓶罐罐摆了一大片。
我就像个好奇的探险家一样，准备搞这个硅锗合金复合材料。
我先把那些硅啊锗啊的材料小心翼翼地拿出来，就好像对待宝贝一样。
然后呢，我就开始按照特定的步骤，一点一点地混合它们，这过程可不能马虎，就跟做饭要掌握好火候似的。
接着，我就看着它们在那儿反应，心里那个期待啊，就盼着能变出个厉害的东西来。
等啊等，终于看到有了变化，那感觉，就像是看到自己种的小树苗突然长出了叶子一样惊喜。
然后我又对这个材料进行各种处理和加工，让它变得更完美。
这硅锗合金复合材料用处可大了去了！可以用在电子设备里，让那些小玩意儿性能更好；还能在一些高科技领域发挥大作用呢。
整个流程下来，虽然有点复杂，但是每一步都充满了乐趣和挑战。
就好像是在搭一个超级复杂的积木，得特别细心和耐心。
到最后看到成品的时候，那种成就感，哎呀，真是没法形容！
总之呢，这种硅锗合金复合材料的制备方法、应用还有流程，真的很有意思，让我这个小小的实验者也能感受到科技的魅力呀！哈哈！。
锗烷制备工艺流程
锗烷制备工艺流程锗烷的制备工艺流程主要包括三个步骤：锗原料的准备、锗烷气体的制备和纯化。
在这篇文章中，我将详细介绍锗烷的制备工艺流程。
一、锗原料的准备锗烷是由锗的化合物制备而来，通常使用锗粉或锗砂作为原料。
锗砂是一种含有高纯度锗的硅酸盐矿石，通常含有约75%的锗。
锗砂首先需要进行研磨和过筛处理，以获得均匀的颗粒大小。
接着，锗砂需要进行还原反应，将锗还原为气态锗：GeO2 + 2C → Ge + 2CO这个过程需要高温和还原剂碳的参与。
通过这个反应，可以得到粗炼的气体态锗，后续需要经过多次的净化铭。
二、锗烷气体的制备锗烷气体是通过锗的还原反应获得的。
最常用的方法是在高温下，将氢气通过锗的原料，如锗粉或锗砂，进行还原反应产生锗烷气体：Ge + 2H2 → GeH4这个反应需要在高温下进行，通常在800-1000摄氏度之间。
反应过程中，需要控制反应温度和压力，以保证反应的进行。
产生的锗烷气体需要进行冷却和净化处理，以获得高纯度的锗烷气体。
三、锗烷气体的纯化锗烷气体通常包含杂质，如其他气体和有机物。
为了获得高纯度的锗烷气体，需要进行纯化处理。
最常用的方法是通过冷却和凝结技术，将锗烷气体中的杂质分离出来。
冷凝后的锗烷液体可以通过蒸馏、凝固和再次冷凝处理，来继续提纯锗烷。
此外，还可以采用化学吸附剂和分子筛等技术，来去除锗烷气体中的有机物和其他杂质。
这些技术可以帮助提高锗烷气体的纯度和稳定性。
四、总结锗烷是一种重要的无机化合物，在半导体工业和光电器件制造中具有广泛的应用。
通过以上介绍的制备工艺流程，可以生产高纯度的锗烷气体，用于相关应用领域。
在生产过程中，需要严格控制各个步骤的参数，以确保锗烷气体的质量和稳定性。
希望本文对锗烷制备工艺有所帮助，谢谢阅读。
01章_硅和锗的化学制备
耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20-30%
化学提纯制备高纯硅的方法：
1、SiHCl3氢还原法 优点：产量大、质量高、成本低 是目前国内外制取高纯硅的主要方法。
2、SiH4法 优点：有效除去硼和金属杂质、无腐蚀性、 不需要还原剂、分解温度低和收益高，是有前途的方法。 缺点：易爆炸，不安全。
3、SiCl4氢还原法——硅收益低，不常用。 但在Si外延生长中有使用SiCl4做Si源。
单晶、多晶和非晶体原子排列
单晶硅 概念 单晶硅，英文，Monocrystalline silicon，是硅的单晶体。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。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶 炉内拉制而成。 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取 向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
2. 钢铁工业方面的应用 利用碳化硅的耐腐蚀，抗热冲击，耐磨损，导热好的 特点，用于大型高炉内衬。
3.冶金工业的应用 碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能
，是耐磨管道，叶轮，泵室，矿斗内衬的理想材料 。其耐磨性能是铸铁，橡胶使用寿命的5-20倍，也 是航空飞行跑道的理想材料之一。
4.建材陶瓷，砂轮工业方面的应用 利用其导热系数高，热辐射、高热强度大的特性， 制备薄板窑具，不仅能减少窑具容量，还提高了窑 炉的装容量和产品质量，缩短了生产周期，是陶瓷 釉面烘烤烧结的理想间接材料。
（1）反应温度280-300℃。 （2）向反应炉中通一定量的H2，H2/HCl=1/3-5之间。 （3）硅粉与HCl在进入反应炉前要充分干燥，并且
第2章_硅锗的区熔提纯
• 可使用一个半经验公式,计算n值
n=(1～1.5)L/l 通常取L/l=10，计算出n最大为15，通常区熔次数取 20左右。
2-2-4 影响区熔提纯的主要因素
4.质量输运
• 质量输运或质量迁移：区熔时，物质会从一端缓慢地移向另一端
的现象。
• 产生的原因：物质熔化前后材料密度变化，对某一物质，区熔时 其质量输运的多少和输运的方向取决于熔化密度变化的大小与符
•
• 规律：
•
影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数 和熔区长度。
对不同K值的杂质，K<1时，K值越小，杂质分布卓越头部杂质浓度越小，熔区长
度越小，极限分布时CS越小。
2-2-4 影响区熔提纯的主要因素
熔区长度l
区熔次数n 熔区移动速度f
质量输运
2-2-4 影响区熔提纯的主要因素
1、熔区长度 一次区熔时，由 CS=C0[1-(1-K)e-kx/L] L→大，CS →小，提纯的效果越好，由此考虑，熔 区长度L越大越好。 极限分布时,熔区长度越大，CS越大，提纯的效果越 差，所以从极限分布的角度来看，L →小 较好。 实际区熔时，应取最初几次用大熔区，后几次则用 小熔区的工艺条件。
CS CS CL C0 Cinterface<CL<C0<CS
CS<C0<CL<CInterface
二、有效分凝系数
描述界面处薄层中杂质浓度偏 离对固相中杂质浓度的影响。
固相杂质浓度 CS 有效分凝系数 Keff = 熔体内部杂质浓度CL0
当界面不移动或移动速度f 趋于零时，CL0→ CL，则Keff → K0 当结晶过程有一定速度时，Keff ≠ K0，此时，Cs = KeffCL0
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，是耐磨管道，叶轮，泵室，矿斗内衬的理想材料 。其耐磨性能是铸铁，橡胶使用寿命的5-20倍，也 是航空飞行跑道的理想材料之一。
4.建材陶瓷，砂轮工业方面的应用 利用其导热系数高，热辐射、高热强度大的特性， 制备薄板窑具，不仅能减少窑具容量，还提高了窑 炉的装容量和产品质量，缩短了生产周期，是陶瓷 釉面烘烤烧结的理想间接材料。
2MnO2 +K2SiO3+H2O+H2
（d) 与卤素反应发生爆炸
SiH4+4Cl2=SiCl4+4HCl
(e) SiH4和GeH4四个键都是Si-H，Ge-H，非常不稳定、
易热分解——获得高纯Si、Ge。
加热
SiH4
Si +2H2
加热
GeH4
Ge +2H2
章硅和锗化学制备
1-2 高纯硅的制备
1.2 高纯硅的制备 ➢ 硅在地壳中的含量为27%，主要来源
光导纤维 石英玻璃
石英手表
玛瑙首饰 二氧化硅
石ห้องสมุดไป่ตู้钟
高级工艺品
眼镜
精密仪器轴承
章硅和锗化学制备
GeO2特性： 正方晶系金红石型（熔点1086±5 ℃） 1035 ℃ 有两种晶型 六方晶系石英型（熔点为1116±4 ℃） 可互相转化
此外，存在非晶态的GeO2。 SiO2和GeO2用H2，C可还原为黑色树脂状的SiO和淡黄色无 定型的 GeO（700 ℃时易挥发）。
5.节能方面的应用 利用其良好的导热和热稳定性，作热交换器，燃
耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20-30%
章硅和锗化学制备
化学提纯制备高纯硅的方法：
1、SiHCl3氢还原法 优点：产量大、质量高、成本低 是目前国内外制取高纯硅的主要方法。
2、SiH4法 优点：有效除去硼和金属杂质、无腐蚀性、 不需要还原剂、分解温度低和收益高，是有前途的方法。 缺点：易爆炸，不安全。
是石英砂(SiO2)和硅酸盐(Na2SiO3) 。
➢ 粗硅的制备方法 ➢ 石英砂与焦炭在碳电极的电弧炉中还
原，可制得纯度为97%的硅，称为 “粗硅”或“工业硅”。
章硅和锗化学制备
• 粗硅的制备反应式：
SiO2 + 3C ==16=00=-18=00=℃SiC + 2 CO (1) 2SiC + SiO2 ====== 3Si + 2 CO (2)
SiO2+4HF=SiF4+2H2O
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+2H2O
章硅和锗化学制备
地球上存在的天然二氧化硅称为（统称为）硅石
硅石
结晶形（石英）
无定形
无色透明 水晶
彩色环带或层状 玛瑙
章硅和锗化学制备
玛瑙
章硅和锗化学制备
石英
章硅和锗化学制备
水晶 章硅和锗化学制备
二氧化硅的用途
2Si(Ge)X2
章硅和锗化学制备
SiCl4、SiHCl3、SiH4的物理化学特性见表1.2
章硅和锗化学制备
SiCl4 SiHCl3
SiH4
无色透明液体 无色气体
Si-H键的增多 稳定性减弱
空气中 自然爆炸
章硅和锗化学制备
2、Si、Ge高温下可与H2O、O2反应
• Si+O2 = SiO2 • Si+H2O=SiO2+H2
章硅和锗化学制备
三 硅、锗化学反应式
1、Si和Ge与卤素或卤化氢反应式
• Si+2Cl2=SiCl4 • Si+3HCl=SiHCl3＋H2 • Ge+2Cl2=GeCl4 • GeO2+4HCl=GeCl4+2H2O
还可制取低价卤化物
这些卤化物具 有强烈的水解 性，在空气中 吸水而冒烟
Si(Ge)X4+Si(Ge)
利用碳化硅具有耐高温，强度大，导热性能好，抗冲 击的特性，作高温间接加热材料，如坚罐蒸馏炉。精 馏炉塔盘，铝电解槽，铜熔化炉内衬，锌粉炉用弧型 板，热电偶保护管等。 2. 钢铁工业方面的应用 利用碳化硅的耐腐蚀，抗热冲击，耐磨损，导热好的 特点，用于大型高炉内衬。
章硅和锗化学制备
3.冶金工业的应用 碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能
(a) 活性高，空气中自然，与液氧混合在-190℃低温下发生爆炸
爆炸
SiH4+2O2
SiO2+2H2O
(b) 易与水、酸、碱反应：
SiH4+H2O Si(OH)4+2H2
SiH4+2NaOH+H2O=Na2SiO3+4H2
章硅和锗化学制备
（c) 具有强的还原性
褐色
检查硅烷 的存在
SiH4+2KMnO4
第一章 硅和锗的化学制备
1-1 硅和锗的物理化学性质 1-2 高纯硅的制备 1-3 锗的富集与提纯
章硅和锗化学制备
1-1 硅和锗的物理化学性质
一 物理性质比较
性质
位置 原子序数
颜色 介电常数ε 禁带宽度(室温) 本征电阻率（.cm） 电子迁移率(cm2/V.s)
空穴迁移率(cm2/V.s)
Si
Ⅳ族 14
硅平面工艺 中的掩蔽膜
3、烷烃化合物 Si(Ge)H2n+2
章硅和锗化学制备
4、硅（锗）镁合金与无机酸或卤氨盐作用制硅（锗）烷
硅烷的制备
硅(锗)镁合金+无机酸(卤铵盐) Mg2Si+4HCl→SiH4+2MgCl2 Mg2Si+4NH4Cl→SiH4+4NH3+2MgCl2
章硅和锗化学制备
5、SiH4特性
银白色金属光泽 11.7 1.1eV
2.3105 1350
480
章硅和锗化学制备
Ge
Ⅳ族 28
灰色 16.3 0.67eV 46 3900
1900
二 化学性质
• 室温下
稳定，与空气、水、硫酸(H2SO4)、硝酸 (HNO3) 不反应 但是，与氟、氢氟酸、强碱 反应
• 高温下
活性大，与O2 、水、卤族(第七族)、卤化氢、 碳….反应
总反应： SiO2 + 2C =1=60=0-1=80=0℃= Si + 2CO
反应温度下硅是气相，然后凝固成固相
思考：为什么不会生成CO2呢？
高温
C + CO2 ===== 2 CO
章硅和锗化学制备
• 中间产物碳化硅的用途 • 碳化硅又称为“人造金刚石”，是良好导热，耐磨材
料。 1.有色金属冶炼工业
–与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定) –与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）
章硅和锗化学制备
三 存在形式及特性
自然界，Si —SiO2和硅酸盐 SiO2特性：坚硬、脆、难熔的无色固体，膨胀系数小，熔点为 1600℃，抗酸（除HF外），用做器皿（半导体工业中）。
化学性质:十分稳定 常温下不与水反应，只与HF、强碱反应