硅作为半导体材料应用于电子领域的五大原因

关于“电子学”一词，你可以联想到很多东西，尤其是像晶体管、二极管、集成电路等电子电路板元件。如果您完全了解这些组件，那么您也必须了解在制造这些组件时主要的硅的用途。

什么是硅？

硅是原子序数为14的半导体材料，位于元素周期表的第4族中。纯无定形硅首先由Jones Jacob Berzelius于1824年制备，而晶体硅首先由Henry Etienne于1854年制备。

什么是半导体？

半导体只不过是具有绝缘性质的材料，在掺杂或添加杂质时具有导电性能。半导体通常在绝缘体（最大带隙）和导体（最小带隙）之间具有带隙（电子从共价键断开所需的能量）。半导体中的电荷传导或流动是由于自由电子或空穴的移动。

如果您熟悉元素周期表，则必须了解周期表中的组。半导体材料通常存在于周期表的第4族中，或者也作为第3族和第6族的组合存在，或者也作为第2族和第4族的组合存在。最广泛使用的半导体是硅，锗和砷化镓。

那么，是什么使硅成为电子产品中最受欢迎的半导体材料呢？

以下是最主要的原因：

1.丰富的硅

硅作为首选材料受欢迎的最重要原因是其丰富程度。接下来，与地壳中大约46％的氧气一致，硅形成了地壳的约28％。它以沙（二氧化硅）和石英的形式广泛提供。


2.硅制造业

用于生产IC和电子元件的硅晶片是使用有效和经济的技术制造的。通过以下步骤获得纯硅或多晶硅：

• 使石英与焦炭反应以在电炉中生产冶金硅。

• 然后将冶金硅在流化床反应器中转化为三氯硅烷（TCS）。

• 随后，通过蒸馏纯化TCS，然后在氢气中将其分解到反应器中的热硅丝上。最后，所得到的是多晶硅棒。

然后使用Czochralski法使多晶硅棒结晶，以获得硅晶体或锭。最后使用ID切割或线切割方法将这些锭切割成晶片。

所有上述过程有助于实现生产硅晶片所需的直径、取向、电导率、掺杂浓度和氧浓度。

3.化学性质

化学性质是指与材料与其他材料的反应相关的那些性质。化学性质直接取决于元素的原子结构。结晶硅主要用于电子产品，由类似钻石的结构组成。每个晶胞由布拉维晶格排列的8个原子组成。与其他材料如锗相比，这使得纯硅在室温下高度稳定。

因此，纯硅受水、酸或蒸汽的影响最小。而且，在熔融状态下的较高温度下，硅容易形成氧化物和氮化物甚至合金。

4.硅结构

硅的物理特性也有助于其作为半导体材料的普及和使用。


• 硅在0 K时具有1.12eV的中等能带隙。与锗相比，硅使硅成为稳定元素，并降低漏电流的可能性。反向电流为纳安培，非常低。

• 硅的结晶结构由面心立方晶格结构组成，具有34％的填充密度。这允许容易地替换晶格空位中的杂质原子。换句话说，掺杂浓度相当高，约为10 ^ 21原子/ cm ^ 3。

这也增强了添加诸如氧的杂质作为晶格内的间隙原子的可能性。这为晶片提供了强大的机械强度，以抵抗各种应力，如热、机械或重力。

• 硅二极管的正向电压为0.7 V，与锗二极管相比更高。这使它们更稳定，并增强硅用作整流器。

5.二氧化硅

硅的巨大普及的最后但并非最不重要的原因是它易于形成氧化物。二氧化硅是IC技术中使用最广泛的绝缘体，因为与其他氧化物如锗相比，它具有极其稳定的化学性质，锗是水溶性的并且在800摄氏度的温度下分解。


二氧化硅可以在较高温度下使用氧气在硅晶片上热生长或使用硅烷和氧气沉积。

使用二氧化硅：

• 在IC制造技术中，如蚀刻、扩散、离子注入等。

• 在电介质中用于电子设备。

• 作为MOS和CMOS器件的超薄层。这实际上增加了具有高输入阻抗的CMOS器件的广泛普及。

• 在MEMs技术的3D设备中。

因此，这些是电子产品中硅使用量增加的最主要原因。