硅-二氧化硅系统的性质
硅和二氧化硅
硅和二氧化硅一、硅硅元素在地壳中的含量占第二位，全部以化合态存在。
1、物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，具有较高的硬度和熔点。
2、化学性质硅的化学性质不活泼，在化学反应中主要表现还原性。
在常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合；在高温下才能跟氢气反应，表现弱氧化性，一般硅的氢化物只能用间接方法制得。
Si+O2SiO23、硅的制备⑴制粗硅粗硅是在电炉里用碳还原二氧化硅而制得SiO2+2C Si+2CO↑⑵制高纯硅将上面反应制出的粗硅，再与Cl2反应后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。
有关的反应方程式为；Si+2Cl2SiCl4SiCl4+2H2Si+4HCl4、硅的用途：硅可用来制作合金；高纯硅可作半导体材料。
二、二氧化硅1、物理性质：二氧化硅是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。
2、化学性质：二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟水及酸(氢氟酸除外)发生反应。
由于它是一种酸性氧化物，所以能跟碱性氧化物或强碱反应。
SiO2+4HF＝SiF4+2H2O(氢氟酸不能盛放在玻璃容器中)SiO2+CaO CaSiO3SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O(碱溶液不能盛在使用磨口玻璃塞的试剂瓶中)3、特性：二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。
a．酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物(硅酸)只能用相应的可溶性硅酸盐跟酸作用制得。
b．酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应。
三、硅酸硅酸(H2SiO3)是不溶于水的弱酸，它的酸性比碳酸还弱。
四、硅酸盐1、硅酸盐的书写硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用氧化物的形式表示。
一般从左到右依次为：活泼金属的氧化物活泼非金属的氧化物水，各氧化物之间用小点“·”相连。
例如：硅酸钠Na2SiO3(Na2O·SiO2)；镁橄榄石Mg2SiO4(2MgO·SiO2)；高岭石A12(Si2O5)(OH)4(A12O3·2SiO2·2H2O)2、硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂、防腐剂。
考点05 硅与二氧化硅的性质(要点总结)
2019-2020学年高一化学期末复习高频考点通关（人教版2019必修第二册）考点05 硅与二氧化硅的性质复习要点1.了解硅及二氧化硅的主要性质及应用。
2.了解高纯硅的工业制备方法。
核心梳理1．硅及其化合物特性(1)Si、SiO2都能与氢氟酸反应。
(2)常见单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al，非金属Si。
(3)粗硅制备时，要隔绝空气，在电炉中进行，且生成的是CO而不是CO2。
(4)硅酸是不溶于水的弱酸。
2．硅单质的化学性质(1)在常温下，能与F2、氢氟酸和强碱溶液反应①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑③与NaOH溶液反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(2)加热和高温时，能与O2、Cl2、C等反应①与O2反应：Si＋O2===SiO2②与Cl2反应：Si＋2Cl2===SiCl4③与C反应：Si＋C===SiC3．硅的制备硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：(1)粗硅的制备：2C＋SiO2Si(粗硅)＋2CO↑(2)纯硅的制备：工业制备高纯硅的原理示意图典型例题 例1 半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO 2制取Si 。
制取过程中不涉及的化学反应是( )A ．2C ＋SiO 2=====高温Si ＋2CO↑B ．SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2OC ．Si ＋2Cl 2=====高温SiCl 4D ．SiCl 4＋2H 2=====高温Si ＋4HCl【答案】B【解析】由SiO 2制取Si 时要先制得粗硅，反应为2C ＋SiO 2=====高温Si ＋2CO↑，然后再进行提纯，反应依次为Si ＋2Cl 2=====高温SiCl 4、SiCl 4＋2H 2=====高温Si ＋4HCl 。
变式强化硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
二氧化硅和硅胶
二氧化硅和硅胶1. 介绍二氧化硅（SiO2）和硅胶是与硅元素相关的两种常见材料。
它们在许多领域中都有广泛的应用，包括工业、医疗、食品等。
本文将对二氧化硅和硅胶的性质、制备方法以及应用进行全面、详细、完整和深入的探讨。
2. 二氧化硅的性质2.1 物理性质•无色无味的固体•高熔点和沸点•不溶于水和大多数有机溶剂•具有高硬度和抗腐蚀性2.2 化学性质•与酸反应生成盐酸或硫酸•与碱反应生成硅酸盐•不与大多数金属发生反应2.3 结构性质•二氧化硅具有多种晶体结构，包括石英、水晶、硅灰石等•石英是最常见的二氧化硅晶体形式，具有六方晶系结构3. 二氧化硅的制备方法3.1 热解法1.将硅源物料（如二氧化硅矿石）加热至高温2.使硅源物料与氧气发生反应生成二氧化硅3.2 溶胶-凝胶法1.将硅源物料（如硅酸酯）与溶剂混合形成溶胶2.在溶胶中加入凝胶剂，使溶胶发生凝胶反应3.将凝胶烘干或煅烧，得到二氧化硅材料3.3 气相沉积法1.将硅源物料（如硅烷）蒸发或分解成气体2.将气体在高温下沉积在基底上形成二氧化硅薄膜4. 二氧化硅的应用4.1 工业领域•二氧化硅用作耐火材料，可用于制造耐高温炉具和陶瓷制品•二氧化硅是玻璃的主要成分，广泛应用于建筑、家居等领域•二氧化硅是半导体材料的重要组成部分，用于制造集成电路和太阳能电池板4.2 医疗领域•二氧化硅纳米颗粒可用于药物传递系统，提高药物的溶解度和稳定性•二氧化硅纳米材料对细胞有较好的生物相容性，可用于生物传感和组织工程4.3 食品领域•二氧化硅作为食品添加剂，用于防止食品结块和吸湿•二氧化硅纳米颗粒可用于食品包装材料，延长食品的保鲜期5. 硅胶的性质5.1 物理性质•无色或微黄色的颗粒状或块状固体•具有较大的比表面积和孔隙结构•可吸湿并释放湿气5.2 化学性质•硅胶对大多数化学物质稳定，但可与强碱和氢氟酸反应•硅胶可吸附和分离有机化合物5.3 应用性质•硅胶具有优异的吸附性能，可用于干燥、除湿和分离物质•硅胶可用于制备催化剂和催化剂载体•硅胶可用于制备高性能电池和超级电容器6. 硅胶的制备方法6.1 凝胶法1.将硅源物料（如硅酸酯）与溶剂混合形成溶胶2.在溶胶中加入凝胶剂，使溶胶发生凝胶反应3.将凝胶烘干或煅烧，得到硅胶材料6.2 气相法1.将硅源物料（如硅烷）蒸发或分解成气体2.将气体在高温下沉积在基底上形成硅胶薄膜6.3 溶胶-凝胶法1.将硅源物料（如硅酸酯）与溶剂混合形成溶胶2.在溶胶中加入凝胶剂，使溶胶发生凝胶反应3.将凝胶烘干或煅烧，得到硅胶材料7. 硅胶的应用7.1 干燥和除湿•硅胶可用于干燥空气、电子设备等•硅胶吸湿后可通过加热或真空处理再次释放湿气7.2 分离和吸附•硅胶可用于分离和吸附有机化合物和杂质•硅胶柱层析是一种常见的分离技术7.3 催化剂和催化剂载体•硅胶可用作催化剂的载体，提高催化剂的稳定性和活性•硅胶本身也具有一定的催化活性，可用于有机合成反应7.4 电池和超级电容器•硅胶可用作电池和超级电容器的电解质材料•硅胶具有较高的离子传导性和电容性能8. 总结本文对二氧化硅和硅胶的性质、制备方法以及应用进行了全面、详细、完整和深入的探讨。
硅和二氧化硅的反应方式
硅和二氧化硅的反应方式
摘要：
I.硅和二氧化硅的性质和用途
- 硅的性质和用途
- 二氧化硅的性质和用途
II.硅和二氧化硅的反应方式
- 硅和氧气反应生成二氧化硅
- 二氧化硅与其他物质的反应
III.硅和二氧化硅在工业中的应用
- 半导体行业中的应用
- 建筑材料中的应用
- 其他行业中的应用
正文：
硅是一种非金属元素，具有半导体性质，是现代电子技术中不可或缺的原材料。
二氧化硅则是硅的一种常见氧化物，具有良好的光学、化学和物理性质，广泛应用于各个领域。
本文将介绍硅和二氧化硅的反应方式及其在工业中的应用。
硅和氧气反应生成二氧化硅。
这一反应在自然界中广泛存在，如硅石与氧气在高温下反应生成二氧化硅。
在工业生产中，这一反应可通过硅的研磨和加热来实现。
二氧化硅在高温下可与碳、氯、氢等元素发生反应，生成相应的化合物，如碳化硅、硅氯化物和硅氢化物。
二氧化硅与其他物质的反应主要表现在以下几个方面：
1.与碱性氧化物反应，如与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水；
2.与碱金属反应，如与锂反应生成硅酸锂；
3.与酸反应，如与氢氟酸反应生成四氟化硅和水。
硅和二氧化硅在工业中有着广泛的应用。
在半导体行业中，硅作为半导体材料，被用于制造各种集成电路、晶体管等电子元件。
二氧化硅则被用作光纤预制棒、光纤涂料等光通信领域的材料。
此外，硅和二氧化硅还被广泛应用于建筑材料、玻璃制造、陶瓷制品、涂料等行业。
总之，硅和二氧化硅的反应方式多样，且在工业中具有广泛的应用。
二氧化硅的物理性质和化学性质
二氧化硅的物理性质和化学性质二氧化硅是一种广泛应用的无机化合物，它在材料、化工、医药和生态环保等领域都有着重要的应用价值。
了解二氧化硅的物理性质和化学性质，对于深入掌握它的特性和应用方向具有重要的意义。
一、物理性质（一）外观特征二氧化硅是一种无色、透明、呈白色粉末或颗粒状的晶体固体。
它半透明，质地脆硬，纯度越高，密度越大，晶粒大小越均匀。
（二）热学特性二氧化硅的熔点很高，达到了1713℃，并且它具有很好的热稳定性。
二氧化硅在高温下与铝、锰等金属形成硅铝酸盐和硅锰酸盐，具有很好的抗高温性。
（三）光学特性二氧化硅的折射率比较高，约为1.46，对于光学元器件的制造具有很好的应用前景。
在太阳能电池中，二氧化硅也被广泛运用，因为它能吸收一定波长的光线，增强太阳能电池的光吸收能力，提高光电转换效率。
二、化学性质（一）稳定性二氧化硅相当稳定，不溶于水、酸、碱等物质，容易与碳、氧、氟等元素反应，可用于制备硅酸盐、硅氮化物、硅碳化合物等无机化合物。
（二）溶解性二氧化硅对于大部分溶剂是不溶的，但它可以在水中形成硅酸溶液，水溶性很弱。
硅酸盐是一种广泛应用的无机化合物，它可以在建材、陶瓷、电器、防火和油漆等行业中发挥重要作用。
此外，二氧化硅还可以溶解在氢氟酸、氢氧化钠等强碱性物质中，形成相应的盐。
（三）氧化还原性二氧化硅具有一定的氧化还原性，在高温下可以与氢、氧等元素反应，生成相应的气体。
此外，二氧化硅还可以在还原剂的作用下，被还原为金属硅或其他硅化合物。
（四）酸碱性二氧化硅不具有酸性和碱性，但可以与酸和碱反应，形成相应的盐。
综上所述，二氧化硅具有不同的物理性质和化学性质，可以用于制备多种无机化合物。
随着科技的发展和应用领域的拓展，二氧化硅的应用前景将变得更加广泛。
硅-二氧化硅系统的性质说课讲解
21
界面态密度在禁带中呈“U”形连续分布 在禁带中部，界面态密度较低；在靠近导带底和价带顶 处，界面态密度迅速增加，不再下降。
22
减少界面态的方法 合理地选择面原子密度小的晶面，如（100）晶面
上生长SiO2，会减小未饱和的悬挂键的密度，从而 使界面态密度下降 。
通过选择在适当的条件和气氛下对Si-SiO2系统进 行退火，来降低表面态的密度 。
Ea k0T
杂质激活能
磷和硼的 D值 分别为 3106和cm2 / s 1.0 108cm2 / s
而纳则为 5.0cm2 / s
由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱 因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故Na 离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。
温度达到100摄氏度以上时，Na离子在电场 作用下以较大的迁移率发生迁移运动。
二氧化硅结构的基本单元是 一个由硅氧原子组成的四面 体；
磷、硼等常以替代位形式居 于四面体的中心；
Na、K等大离子存在于四面 体之间，可以使网络结构变 形，使二氧化硅呈现多孔性， 从而导致Na、K大离子易于 在二氧化硅中迁移或扩散。
一般杂质在二氧化硅扩散时的扩散系数具有以下
形式
D0
D
exp
Na离子的漂移可以引起二 氧化硅层电荷分布的变化， 从而使MOS结构的C-V特 性曲线发生偏移；
漂移量的大小和Na离子的 数量及其在二氧化硅层中 的腹部情况有关
作偏压–温度实验，可以测量二氧化硅中单 位面积上的Na离子电荷量：
QNa CoVFB
SiO2层单位 面积的电容
单位面积钠离子电荷数：
当外加偏压VG变化时，由于能带弯曲程度随之变比，引 起EF相对于界面态能级的位置发生变化。以p型硅为例：
硅及其二氧化硅的化学性质
硅及其二氧化硅的化学性质教学重点：硅及其二氧化硅的化学性质教学过程：引入：本节主要学习硅及二氧化硅的化学性质。
阅读：教材硅在自然界的存在形式一段。
讲述：硅的分布与存在展示：硅单质的图片阅读：硅的物理性质一段讲解：硅的物理性质。
展示：晶体硅的图片。
讨论：根据所学的碳以及元素周期律的知识，归纳出一些硅的化学性质。
小结：硅的化学性质。
常温下化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其它物质反应。
加热条件下，硅能跟一些非金属反应。
简介：硅的工业制法。
用碳在高温下还原二氧化硅的方法制得粗硅。
与氯反应生成的SiCl4液体通过精馏，除去其中的硼、砷等杂质。
然后用氢气还原。
归纳：硅的用途。
硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。
展示：太阳能电池的图片。
简要介绍：二氧化硅的结构，播放二氧化硅结构的动画。
展示：二氧化硅的图片小结：二氧化硅的物理性质和用途。
对比：让学生根据二氧化碳的性质推断二氧化硅的主要化学性质。
归纳：二氧化硅是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，但是它不能与水反应。
能与氢氟酸、碳酸钙、碳酸钠（制玻璃的主要反应）固体等反应。
介绍：硅酸盐组成的表示方法并练习用氧化物形式表示高岭石和钙长石。
硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。
表示方法：金属元素氧化物写在前面，再写SiO2，最后写H2O；氧化物之间用“·”隔开。
课堂练习：1．下列有关物质的用途（括号中为用途）错误的是（）（A）锗和硅（半导体材料）（B）二氧化硅（制光导纤维）（C）水玻璃（用作粘合剂）（D）原硅酸（用作耐火材料）2．将过量的二氧化碳分别通入①氯化钙溶液②硅酸钠溶液③次氯酸钙溶液④饱和碳酸钠的溶液，最终溶液中有白色沉淀析出的是（）（A）①②③④（B）②④（C）①②③（D）②③④参考答案：D；B。
（说明：教师可以根据本班具体情况增加硅酸的部分内容。
半导体物理西交课件-半导体表面和MSI结构
u 'k (0) + i 2π k uk (0)
2
（8-14）
k为复数时波函数特点：
1/ 2 m V E 2 − ( ) 0 0 x ; ( x ≤ 0) A exp h ψ ( x) = i 2π k ' x −2π k " x A u ( x ) e e ;( x ≥ 0) 1 k
x→∞
1/ 2 2m0 (V0 − E ) ψ ( x ) = A exp 波函数有限： 1 h
x （8-4）
x （8-3）
表面态
( x ≥ 0)区域的波函数：
ψ 2 ( x) = A1uk ( x)ei 2π kx + A2u− k ( x)e − i 2π kx
表面电场效应
从理想的MIS结构出发，讨论外加电场作用下， 半导体表面层内发生的现象。 理想MIS结构： 金属与半导体间功函数差为零 绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
表面电场效应
MIS结构的一般性静电特性
表面电场效应
表面电场效应
整体电中性： 绝缘层中电场均匀：
但是表面处Ei仍位于费米能级以上：
此时：V、Vs>0，又np0/pp0<<1， np0/pp0和e-qV/k0T均可略去
qVs n p 0 qVs F , = kT p p0 k0T 0
2 k0T 1/ 2 Es = V s LD q
qVs 2ε rsε 0 k0T Qs = exp − qLD 2 k T 0 qVs ε rsε 0 Cs = exp − LD 2k0T
7.4 硅-SiO2系统及表面电导
第七讲7.4 Si-SiO2系统级表面电导可动离子： 等；固定电荷：Si-SiO 2界面附近200Å处的层状正电荷；界面态： Si-SiO 2界面处位于禁带中的能级或能带；电离陷阱电荷：由 x 、γ 、电子射线等引起的电离陷阱电荷。
Na K Li H ++++、、、Si-SiO 2系统中的主要带电形式23--桥键氧1、可动离子Na + 的来源：（1）化学试剂；（2）使用的工具和容器；（3）人体污染。
主要是 正离子；其中以 Na + 的影响最大。
Na K Li H ++++、、、21--硅四面体中心2--填隙式正离子4--非桥键氧一、Si-SiO 2系统为避免器件受到 Na + 的污染，可在SiO 2膜上或整个管芯上再淀积一层Na +在其中迁移较困难的介质膜，如：氮化硅、磷硅玻璃、氧化铝等。
钠、钾等金属离子在二氧化硅中扩散时的扩散系数为： a 00exp E D D k T ∞⎛⎫=- ⎪⎝⎭根据爱因斯坦关系： 所以有： 0k T D q μ=0=q D k Tμ硼、磷、钠的值分别为:D ∞(硼) = 3×10-6cm 2/sD ∞(磷) = 1.0×10-8cm 2/sD ∞ (钠) = 5.0cm 2/s 杂质激活能一、Si-SiO2系统2、二氧化硅层中固定电荷二氧化硅层中固定电荷有如下特征：v电荷面密度是固定的；v电荷位于Si-SiO2界面200Å范围以内；v固定电荷面密度的数值与氧化层厚度、硅中杂质类型以及浓度的关系不大；v固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系。
3、界面态界面态产生的原因：（1）表面处晶格中断，在表面处存在悬挂键，即产生了表面能级；（2）表面处的缺陷和损伤引起的表面能级；（3）表面吸附的杂质引入的界面态。
界面态有“快界面态”与“慢界面态”之分。
所谓快界面态，是指存在于Si-SiO 2界面处，其能值位于Si禁带中的分离或连续分布的电子能态。
半导体物理教学大纲
《半导体物理》教学大纲课程名称：半导体物理学英文名称：Semiconductor Physics课程编号：课程类别：专业选修课使用对象：应用物理、电信专业本科生总学时： 48 学分： 3先修课程：热力学与统计物理学；量子力学；固体物理学使用教材：《半导体物理学》刘恩科等主编，电子工业出版社出版一、课程性质、目的和任务本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。
本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。
通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础二、教学内容及要求本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。
第1～5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6～9章归结为半导体的接触现象；第10～12章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。
全部课堂教学为48学时，对上述内容作了必要的精简。
10～13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其他各章的内容也作了部分栅减。
具体内容和要求如下：第1章半导体中的电子状态1.半导体的晶格结构和结合性质2.半导体中的电子状态和能带3.半导体中电子的运动有效质量4.本征半导体的导电机构空穴5.回旋共振6.硅和锗的能带结构7.III-V族化合物半导体的能带结构8.II-VI族化合物半导体的能带结构9.Si1-xGex合金的能带10.宽禁带半导体材料基本要求：将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，以深入了解半导体中的电子状态；明确回旋共振实验的目的、意义和原理，进而了解主要半导体材料的能带结构。
（限于学时，本章的第7-10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
重点：半导体中的电子运动；有效质量；空穴概念。
难点：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构第2章半导体中杂质和缺陷能级1.硅、锗晶体中的杂质能级2.III-V族化合物中的杂质能级3.氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级4.缺陷、位错能级基本要求：根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。
硅及二氧化硅知识归纳
硅及二氧化硅知识归纳作者：郭景丽来源：《中学生数理化·教研版》2010年第03期学习了非金属材料的主角一硅，我们对硅及其氧化物二氧化硅的性质、用途有了一定认识，现在我将硅及其硅的氧化物的相关知识进行系统的阐述。
一、硅及其化合物的性质1.硅的性质及用途硅在地壳中的含量居第二位(仅次于氧)，在自然界中无游离态的硅，它全部以化合态的形式(如二氧化硅、硅酸盐)广泛存在于地壳的各种矿物和岩石中。
(1)硅单质有晶体和无定形两种形态，硅晶体呈正四面体形的空间网状结构，类似于金刚石，通常为灰黑色体，有金属光泽，硬度大，溶沸点高，导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。
(2)硅在常温下的化学性质不活泼，①加热或高温下能与O2、Cl2、C及其某些氧化物反应，②常温下能与F2、HF和强碱溶液反应。
(3)硅的用途，高纯硅是良好的半导体材料，常用于制造集成电路、晶体管、太阳能电池等。
2.二氧化硅的性质及用途自然界中存在的二氧化硅统称为硅石，有晶体和无定形两大类，石英晶体是结晶的二氧化硅，其中纯净透明的石英称为水晶，根据所含微量杂质不同而呈现不同的颜色，如紫色的紫水晶、褐色的烟水晶等，玛瑙和碧玉也都是含有杂质的石英，通常见到的沙子是含杂质比较多的石英：硅藻土是无定形的二氧化硅。
(1)二氧化硅晶体中硅原子与氧原子结合成正四面体的空间网状结构，每个硅原子与相邻的4个氧原子相结合，硅原子在正四面体的中心，氧原子在正四面体的四个顶点，硅、氧原子个数之比为1:2。
(2)二氧化硅常温下的化学性质不活泼，①常温下二氧化硅能与碱液和HF酸反应，②二氧化硅是酸性氧化物，高温下能和碱性氧化物反应，③高温下二氧化硅能与某些盐反应。
(3)二氧化硅的用途比较多，①常用于电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品(水晶、玛瑙等)，②制作光导纤维(光缆)，③制作石英玻璃，④石英砂常用于制作玻璃和建筑材料，⑤硅藻土作催化剂载体和吸附剂。
二、物质的特性，通常是解答推断题的突破口下面列出硅及其化合物的10个特性。
半导体物理讲义
2. 平带状态 当外加 VG电 0时压 ，表 Vs 面 0，表势 面处能带不发生
弯曲，称为平带状态。
2
Vs 0时 ex ， p k q0T (V )1k q0TV 1 2 k q0TV
MOS结构的平带 电容(p型半导体)
3. 耗尽状态
Cs
NAqrs0
2Vs
1/耗2尽p层p近0 似下NA
外加电压VG后，其中的一部分降在绝缘层上V0，另一部 分降在半导体表面层，形成表面势Vs：
金属表面的面电荷密度
MIS结构电容
绝缘层厚度
因此，MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电 荷层电容的串联，如下图所示：
C0
Cs
(一) 多数载流子堆积状态(VG<0)
➢ 当|VG|较大时，C=C0，半导体从内部到表面可视为是导通 的，电荷聚集在绝缘层两边(AB段)；
二、 表面态种类
分为两种： ➢ 若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性，称
为施主型表面态； ➢ 若能级空着时呈电中性，接受电子后呈负电性，称为受主
型表面态；
8.2 表面电场效应
采用MIS结构来研究表面电场效应：由中间以绝缘层隔 开的金属板和半导体衬底组成。该结构实际上是一个电容。
一、 理想MIS结构
(2)
以p型半导体为例，如在金属与半导体间加一脉冲阶
跃或
(3) 高频正弦波形成的正电压：
➢ 由于空间电荷层内的少数载流子的产生速率赶不上电压
的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导
体内深处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件；
➢ 此时的耗尽层宽度很大，可远大于强反型的最大耗尽层
宽度，且其宽度随电压VG幅度的增大而增大，这种状 态称为深耗尽状态；
8.4 硅—二氧化硅系统的性质
3、在Si-SiO2界面处的快界面态 界面态密度的分布。图8-23
E-Ev (eV)
3、在Si-SiO2界面处的快界面态
界面态密度随晶体取向而变 对于硅晶体，界面态密度是按(111)晶面大于(110)晶面、(110)晶 面大于(100)晶面的顺序而变的。故在制造MOS结构时，为了减 少固定表面电荷和界面态的影响，常常选用[100]晶向硅单晶。 界面态的起源 硅表面的悬挂键，晶格缺陷，以及界面处杂质。 退火可以有效地降低界面态密度：在H2中退火，形成H-Si键
3、在Si-SiO2界面处的快界面态
快界面态的存在总是削弱半导体表面能带弯曲的程度 如p型硅的情况： 当金属接负时，表面层能带向上弯曲，表面态能级移到EF以上
时，表面态带正电。补偿了部分金属电极上负电荷的作用，削弱 了半导体表面层中能带弯曲的程度。
当金属接正时可作类似讨论。 当外加偏压VG时，界面态中的电荷随之改变，即界面态发生充 放电效应。
2、SiO2层中的固定表面电荷
固定表面电荷的产生的原因分析
1) 与晶体取向有关：推测固定电荷可能与Si-SiO2界面的存在有关。 2）认为： Si-SiO2界面附近过剩的Si离子是固定电荷产生的原因。 实验依据： ① 负偏压，3500C热处理，观察到固定表面电荷的数值增大； ② 氧离子注入，4500C热处理，观察到固定表面电荷的数值减小。
化学——硅和二氧化硅
硅和二氧化硅一、硅1、硅的存在、含量、物理性质等：在自然界中， 游离态的硅，只有以 态存在的硅。
(二氧化硅和硅酸盐)在地壳中，它的含量仅次于 ，居第二位。
硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。
1 mol Si 有 mol Si —Si 键。
晶体硅是良好的半导体材料。
2、硅的化学性质：（性质不活泼）(1) 在常温下，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。
Si+H 2O+2NaOH=Na 2SiO 3+2H 2↑3 + 2 H 2↑ + 3 H 2OSi + 2 F 2 SiF 4 (气态)Si + 4HF(2) 在加热条件下，硅能跟一些非金属反应。
例如，加热时，研细的硅能在氧气中燃烧，生成二氧化硅并放出大量的热。
Si+O 2 Si + 2 H 2 Si + 2 Mg Si + C3、硅的工业制备：在工业上，用 在高温下还原 的方法可制得含有少量杂质的粗硅。
将粗硅提纯后，可以得到用作半导体材料的高纯硅。
4、硅的用途：①作为 材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可制成太阳能电池。
②含硅4％(质量分数)的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器铁芯；③含硅15％(质量分数)左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设备等。
二、二氧化硅1、二氧化硅的物理性质：①天然二氧化硅也叫硅石(透明的石英晶体，就是水晶)，是一种坚硬难 的固体。
溶于水，二氧化硅是 性氧化物，它对应的水化物是 （或 ）。
②SiO 2 有晶体SiO 2 （石英、水晶、玛瑙、砂子等）和无定形SiO 2 （硅藻土） 2、二氧化硅的化学性质（不活泼）：不与水反应，也不与酸( 除外)反应，但能与 性氧化物(CaO)或 (NaOH)反应生成盐。
(1)不与水反应： 硅酸 由二氧化硅与水反应直接制得。
硅和二氧化硅的反应方式
硅和二氧化硅的反应方式摘要：一、硅和二氧化硅的基本性质二、硅和二氧化硅的反应方式1.硅和二氧化硅直接反应2.硅和二氧化硅与其他物质的反应三、硅和二氧化硅的用途正文：硅和二氧化硅是两种重要的非金属元素，它们在自然界和工业领域中都有广泛的应用。
硅是一种半导体材料，具有特殊的电导性，因此在电子、电力等领域有着重要的应用。
而二氧化硅则是一种重要的无机化合物，具有良好的化学稳定性和高熔点，广泛应用于玻璃、陶瓷等工业领域。
硅和二氧化硅的反应方式主要有两种：一是硅和二氧化硅直接反应。
在高温条件下，硅和二氧化硅可以发生化学反应，生成硅单质。
这个反应的化学方程式为：SiO2 + 2C → Si + 2CO。
这个反应过程中，碳起到了还原剂的作用，将二氧化硅中的氧还原成了单质硅。
二是硅和二氧化硅与其他物质的反应。
例如，硅和氢氧化钠反应可以生成硅酸钠和氢气。
这个反应的化学方程式为：Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2。
这个反应过程中，氢氧化钠起到了碱的作用，与硅发生酸碱反应，生成硅酸钠和氢气。
硅和二氧化硅的用途也非常广泛。
硅主要用于微电子技术，如集成电路、太阳能电池等。
二氧化硅则广泛应用于玻璃、陶瓷、水泥等工业领域，还可以作为催化剂、吸附剂等。
此外，硅和二氧化硅还可以用于制备硅酸盐矿物，如石英玻璃、硅藻土等，这些矿物在建筑、化工、医药等领域具有广泛的应用。
总之，硅和二氧化硅作为一种重要的非金属元素，在工业领域和日常生活中都有着广泛的应用。
它们的反应方式多种多样，可以与多种物质发生化学反应，生成各种有用的化合物和矿物。
第8章半导体表面和MIS结构
8.4.1 二氧化硅中的可动离子
二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等， 其中最主要而对器件稳定性影响最大的 是Na离子。
来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器 材以及人体沾污等
为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而 且易于在其中迁移呢？
二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧 原子组成的四面体，Na离子存在于四面 体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而 导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩 散。
Vs 2 f
2k0T q
ln
NA ni
8.2.3 各种表面层状态
p型半导体
金属与半导体间加负压，多子堆积 金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽
金属与半导体间加高正压，少子反型
8.2.3 各种表面层状态
n 型半导体
金属与半导体间加正压，多子堆积 金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽
金属与半导体间加高负压，少子反型
Cs
Qs Vs
rs 0
LD
k0T
p p0
k0T
F( qV , np0 )
k0T p p0
单位F/m2。
8.2.3 各种表面层状态
（1）多数载流子堆积状态（积累层）
Ec
VG<0时，电场由体内指向
E fM
Ei
表面，能带向上弯曲，形成
E fs
空穴势阱，多子空穴被吸引
Ev
至表面附近，因而表面空穴 浓度高于体内，形成多子积
（1）积累层（VG＜0） （Vs<0）
累，成为积累层。
表面微分电容
Cs
rs 0
LD
exp
qVs 2k0T
8.2.3 各种表面层状态
（2）平带状态
Ec
硅和二氧化硅的反应方式
硅和二氧化硅的反应方式
（最新版）
目录
1.硅和二氧化硅的化学性质
2.硅和二氧化硅的反应条件
3.硅和二氧化硅的反应过程
4.硅和二氧化硅反应的产物
5.硅和二氧化硅反应的应用
正文
硅和二氧化硅的反应方式
硅是一种非金属元素，化学符号为 Si，它在自然界中以单质和化合物的形式存在。
二氧化硅，化学式为 SiO2，是硅最常见的化合物，它是一种无色、无臭、不溶于水的固体。
硅和二氧化硅的化学性质
硅的化学性质比较活泼，它可以与许多元素形成化合物。
在自然条件下，硅主要以硅酸盐的形式存在，硅酸盐是由硅和氧与其他元素结合形成的化合物。
二氧化硅的化学性质比较稳定，它不与水反应，也不与大多数酸反应。
然而，二氧化硅可以与碱性物质反应，生成硅酸盐。
硅和二氧化硅的反应条件
硅和二氧化硅在高温下可以发生反应，生成硅酸盐。
反应的条件是高温和碱性环境。
硅和二氧化硅的反应过程
硅和二氧化硅的反应过程比较复杂，它涉及到多个步骤。
首先，硅和
氧气反应，生成二氧化硅。
然后，二氧化硅与碱性物质反应，生成硅酸盐。
最后，硅酸盐与其他元素结合，形成硅酸盐矿物。
硅和二氧化硅反应的产物
硅和二氧化硅反应的产物是硅酸盐。
硅酸盐是一种含有硅和氧的化合物，它与硅和二氧化硅的化学性质不同。
硅和二氧化硅反应的应用
硅和二氧化硅反应在自然界中广泛存在，它是硅酸盐形成的重要途径。
硅和二氧化硅
Ca(Al2Si3O10) · 3H2O CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O KAlSi3O8
K2O· Al2O3 · 6SiO2
注意事项：1、氧化物之间用 “·” 隔开 2、前后原子个数守恒 3、按金属活泼顺序 4、系数为分数时化为整数
小结: 一、硅
1、结构 2、物性 3、化性 4、制法、存在、用途 二、二氧化硅 1、物性 2、化性 3、存在、用途 三、硅酸盐
3、比较碳酸和硅酸的酸性，如何来证明？ 酸性：H2CO3
>
H2SiO3
Na2SiO3+CO2 +H2O =H2SiO3 +Na2CO3
4、怎样由SiO2制取硅酸？
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 实验
3、二氧化硅的存在和用途
存在： 硅石 玛瑙 水晶 石英
光导纤维 玛瑙首饰 高级工艺品
石英玻璃
石英手表 石英钟 精密仪器轴承
分为:晶体(石英和水晶)
无定形(硅藻土)
二氧化硅
眼镜
玛瑙
三、硅酸盐
• 结构复杂 种类繁多 • 用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成 硅酸钠 高岭石 钙沸石 正长石 金属氧化物 ·二氧化硅 ·水 Na2SiO3 Na2O•SiO2 Al2(Si2O5)(OH)4
Al2O3·2SiO2·2H2O
3、硅的化学性质
（1）在常温下，硅的化学性质不活泼 • 只与氟气、氢氟酸和强碱反应 • 不与氧气、氯气、硫酸、硝 酸等起反应 Si+2F2=SiF4 Si+4HF=SiF4↑ +2H2 ↑ Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑ （2）加热时，硅可与氧气、氯 Si+O2=SiO2 Si+2Cl2=SiCl4 气等非金属反应 硅 显 还 原 性
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n
/ E sD
E sD
N ss ( E )dE E EF 1 1 exp kT2. 电子占据受主界面态的分布函数
1 f sA ( EsA ) EF EsA 1 1 exp kT g 0 受主界面
态能值 基态简并
过剩硅离子是固定正电荷的来源
这些电荷出现在Si-SiO2界面20nm范围以内，这个区 域是SiO2与硅结合的地方，极易出现SiO2层中的缺陷及 氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子
实验证明，若在硅晶体取向分别为[111]、[110]和 [100]三个方向生长SiO2时，他们的硅–二氧化硅结构中 的固定表面电荷密度之比约为3:2:1。 将氧离子注入Si-SiO2系统界面处，在450度进行处 理，发现固定表面电荷密度有所下降 将MOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度 高出钠离子漂移温度（127度）时，这些固定的表面电荷密 度有所增加。
二氧化硅结构的基本单元是 一个由硅氧原子组成的四面 体； 磷、硼等常以替代位形式居 于四面体的中心； Na、K等大离子存在于四面 体之间，可以使网络结构变 形，使二氧化硅呈现多孔性， 从而导致Na、K大离子易于 在二氧化硅中迁移或扩散。
一般杂质在二氧化硅扩散时的扩散系数具有以 下形式
Ea D0 D exp kT 0
Si-SiO2系统在器件工艺，测试或应用中常常 会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时， 可以在氧化层中产生电子－空穴对。在偏压 作用下，电子－空穴对中的电子容易运动至 外加偏臵电路形成电流，而空穴即被SiO2层 中的陷阱陷落而运动不到电极中去，那么氧 化层就带上了正电荷，这就是陷阱电荷。 Si－SiO2系统C-V特性向负偏压方向平移而出 现平带电压 陷阱电荷在惰性气体中，在300度以上进行低 温退火，可以很快消除
硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度， 同样引入界面态。在硅表面处存在杂质等也可以引 入界面态。 这些界面态位于Si-SiO2界面处，所以可以迅速地 和Si半导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快 态”。
界面态分为两种：
界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电 子之后呈现正电性，称为施主型界面态 若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷， 即称为受主型界面态
界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体 内部的杂质能级被电子占据的概率分布相同
1. 电子占据施主界面态的分布函数
1 f sD ( EsD ) EsD E F 1 1 exp kT g 0 施主界面
态能值 基态简并 度等于2
14
若界面能值为EsD，则单位面积界面态上的电子数为：
nsD ( E sD ) N s f sD ( EsD ) 1 Ns E sD E F 1 1 exp kT 2 0 单位面积上
的界面态数
15
若界面态能级在禁带中连续分布，在能值E处单位能 量间隔内单位面积上的界面态数为Nss(E)，则单位面积界 面态上的电子数为：
N Na
QNa q
可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （1）漏电增加，击穿性能变坏 （2）平带电压增加 如何解决钠离子玷污的问题 （1）把好清洁关 （2）磷蒸汽处理
二氧化硅层中固定电荷有如下特征 电荷面密度是固定的 这些电荷位于Si-SiO2界面20nm范围以内 固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层 厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶 体的取向有很显著的关系
度等于4
受主界面态中的空穴数的计算方法同上。
17
(二) 界面态电荷随外加偏压VG的变化 由于某些原因(如温度的变化，外加偏压的变化)使半导体
的费米能级相对于界面态能级的位置变化时，界面态上电子填 充的概率将随之变化，因而界面态电荷也发生变化。以外加 偏压VG变化的情形来说明。 当外加偏压VG变化时，由于能带弯曲程度随之变比，引 起EF相对于界面态能级的位置发生变化。以p型硅为例： VG<0时，表面层能带向上弯曲，表面处的施主和受主界面 态能级相对于费米能级向上移动： 当靠近价带的施主态的位置移动到EF以上时，大部分施主 态未被电子占据，将显示正电性，因此出现正的界面态附 加电荷； 该正电荷将补偿部分金属电极上负电荷的作用，削弱表面
20
21
界面态密度在禁带中呈“U”形连续分布 在禁带中部，界面态密度较低；在靠近导带底和价带顶
处，界面态密度迅速增加，不再下降。
22
减少界面态的方法 合理地选择面原子密度小的晶面，如（100）晶面 上生长SiO2，会减小未饱和的悬挂键的密度，从而 使界面态密度下降 。
通过选择在适当的条件和气氛下对Si-SiO2系统进 行退火，来降低表面态的密度 。
18
19
层中能带的弯曲及空穴的堆积； VG>0时，表面层能带向下弯曲(如下图)，表面处的施主和 受主界面态能级相对于费米能级向下移动： 当靠近导带的受主态向下移动到EF处时，由于电子占据受 主界面态，表面出现负的界面态附加电荷； 该负电荷也是削弱能带弯曲程度和表面层中的负电荷； 随VG变化，界面态中的电荷随之改变，即界面态发生充 放电效应。
平带电压
VFB
Q fc C0
考虑金属和半导体功 函数差的影响 Q fc VFB Vms C0 单位表面积的固定 正电荷数目
N fc
Q fc q
r 0 0
qd0
VFB Vms
指的是在Si-SiO2界面处位于禁带中的能级或能带。
Si-SiO2系统中位于两者界面处的界面态来自于悬 挂键。不同晶面悬挂键密度不同，(100)面最少。
1. 二氧化硅中的可动离子 2. 二氧化硅中的固定表面电荷 3. 在硅–二氧化硅界面处的快界面态 4.二氧化硅中的陷阱电荷
二氧化硅中的可动离子有Na、K、H等，其中最主要 而对器件稳定性影响最大的是Na离子。 来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体 沾污等 为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而且易于在其 中迁移呢？
Na离子的漂移可以引起二 氧化硅层电荷分布的变化， 从而使MOS结构的C-V特性 曲线发生偏移； 漂移量的大小和Na离子的 数量及其在二氧化硅层中 的腹部情况有关
作偏压–温度实验，可以测量二氧化硅中单 位面积上的Na离子电荷量：
QNa Co VFB
SiO2层单位
面积的电容
单位面积钠离子电荷数：
杂质激活能
磷和硼的 D 值分别为 3 10 6 cm2 / s 和1.0 108 cm2 / s 而纳则为 5.0cm2 / s 由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱 因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故Na 离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。
温度达到100摄氏度以上时，Na离子在电场作 用下以较大的迁移率发生迁移运动。