晶体硅的应用

晶体硅

硅根据结晶形态可以分为无定形硅、多晶硅和单晶硅等几大类。晶体硅具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32~2.34g/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。

单晶硅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，高于多晶硅。

多晶硅材料是由许多具有不同晶向的小颗粒单晶硅组成。在小颗粒的单晶晶粒内部硅原子呈周期性有序排列。多晶硅与单晶硅的主要区别是不同晶间的单晶晶粒问存在晶粒间界，所谓的晶粒间界是指晶粒问的过渡区。结构复杂，硅原子呈无序排列，存在着能在禁带中引入深能级缺陷的杂质。一方面，作为界面态耗尽了晶界附近的载流子，形成具有一定宽度的耗尽层和势垒：另一方面，作为复合中心俘获电子和空穴。晶界势垒阻碍载流子的传输，又增大了串联电阻，对填充因子不利。晶界的复合损失减低了收集几率，对开路电压和短路电流不利，从而影响太阳电池的转换效率。

晶体硅的制备方法大致是先用碳还原SiO2成为Si，用HCl反应再提纯获得更高纯度多晶硅。制备单晶硅通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。再通过后续的开方、切片、腐蚀、抛光等一系列的加工，最终得到可用于制造各类硅晶制品的基础原材料。

晶体硅因其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。超纯的单晶硅是本征半导体，在超纯单晶硅中掺入微量的IIIA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成P型硅半导体;如掺入微量的V A族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体硅是优良的半导体材料，因此被广泛地应用于制造半导体制品、电子芯片和太阳能电池板等领域。

1，半导体材料

由于硅半导体耐高电压、耐高温、晶带宽度大，比其它半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强等优点，因此被广泛用于电子工业集成电路的生产中。高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成P型硅半导体另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。

2，太阳能光伏电池板

多晶硅可以直接用于制造太阳能光伏电池板，或加工成单晶硅后再用于制造光伏电池板。先将硅料铸锭、切片或直接用单晶硅棒切片，再通过在硅片上掺杂和扩散形成PN结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜等一系列工艺加工成太阳能电池单体片，最后按需要组装成太阳能电池板。目前，硅光伏电池占世界光伏电池总产量的98％以上，其中多晶硅电池约占55％，单晶硅电池约占36％，其它硅材料电池约占70％。由于多晶硅光伏电池的制造成本较低，光电转换效率较高(接近20％)，因而得到快速发展。

3，集成电路

这是将成千上万个分立的晶体体管、电阻、电容等元件，采用掩蔽、光刻、扩散等工艺，把它们集成一个或几个尺寸很小的晶片上，集结成一个以几个完够的电路。集成电路大大减小了体积、重量、引出线和焊点数目，并提高了电路性能和可靠性，同时降低了成本，便于批量生产，使计算机工业飞速发展。

4，探测器

由对光照敏感的PN结或PIN结构成的光生伏打型的探测器。PIN结不是突变的PN结，而是在结的P和N侧之间加入本征区I层。该结构的光照表面（如P）区做得较薄，使入射光进入本征区而被吸收，产生空穴-电子对。本征区的强电场使载流子快速飘移，通过本征区。因此，PIN结相同材料的PN结构相比，其响应时间更短。

5，传感器

硅的传感器有压阻传感器，它是将压力转化为电信号。硅片受外力作用时晶格形变，使得电阻率改变。热敏电阻，利用硅的负温度系数效应，当温度升高时，载流子浓度增加，使得电阻率下降。

硅还可用于光敏传感器和磁敏传感器等。

最后介绍一下废砂浆中硅粉的回收问题。

集成电路用基板、太阳能电池基板的薄片状产品的切割制备采用多线切割原理，用钢丝带动由碳化硅磨料构成的砂浆对高纯度的单晶硅或多晶硅棒进行切割。这种砂浆虽然可以循环使用，但随着切割过程的进行，砂浆中混入硅屑和微量的钢丝切屑，使砂浆切削性能降低，导致获得的硅晶片精度恶化，因此在切削过程中需要不断排出旧的砂浆，并补充新的砂浆。对这些旧的砂浆一般采取废弃处理的办法。但是贵重的高纯硅粉也会随着磨削砂浆的废弃而损失掉。作为战略资源，在我国高纯度硅的95%需要进口，其主要原因是我国还无法规模化将工业硅加工成高纯度的多晶硅。

硅片厚度一般为0.22 mm，目前还有进一步减薄的发展趋势，而线锯缝宽度一般为0.18~0. 30mm，这意味着约20~60%的高纯硅料成为锯屑进入料浆。因此将切割砂浆中的高纯硅粉提取出来，进一步用于制备单晶硅或多晶硅的原料，对于资源的有效利用将是一个重要的贡献，还可以解决高纯度硅的资源短缺问题。