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前言

硅是一种半导体材料，并且它具有 4 个价电子，并且与其他元素一起位于表中的周期性 IVA 组中，其中在优质导体与绝缘体之间，它的中价层电子是处于最优存在数量的。

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自然界中没有纯硅，硅需要精炼并精炼成需要在半导体中制造的纯硅，它存在于硅酸盐和其他硅酸盐中，硅土是沙子，是主要的玻璃素。

其他硅包括无色金属、铜、玛瑙和蛋白石，硅的熔点是1412°C，硅是一种质硬的脆性材料，若变形将很容易破碎。

这与玻璃相似它可以抛光得像镜面一样平整，硅表现岀许多与金属一样的性质，同时也只有非金属的性质。

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纯硅

硅是导体和导体在同一表中，即硅作为半导体，纯硅是指既不纯也不与其他材料变形的内部硅。

纯硅原子结合可以看到给定电子的相同亲和力和价电子部分是完美的，并且大部分硅取自其强大的亲和力。

纯硅中的共价性质将电子结合在一起形成固体，电稳定的元素，纯硅是不好的，因为所有的价电子都充满了健康。

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以纯硅形式而言，硅并不是有用的半导体，当两个或更多的原子以这种可重复的形式结合在一起形成固体材料时，被称为晶体。

晶体是光滑、透明的固体，形成了三维的晶格结构，窗户玻璃就是晶体材料的一个例子，如果可以在硅片制备中，一般会学习到有关晶体的更多知识。

为何选择硅

在20世纪40年代和50年代早期有着许多用做半导体的材料，但是，硅的出现，打败了所有的半导体材料，它们很快被硅取代了。

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为什么硅被选为主要的半导体材料呢？主要有4个理由：硅的丰裕度、更髙的熔化温度允许更宽的工艺容限、更宽的工作温度范围、氧化硅的自然生成。

硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经过合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。

硅的熔点远高于其他半导体材料的熔点，更髙的熔点使得硅可以承受高温工艺，使用硅的另一个优点是用硅制造的半导体件可以用于更宽的温度范围。

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半导体的高效率和可靠性，以及最终硅作为非导电实体的关键问题是它在实验中能够产出出并使用硅酸的能力。

同时，拥有安全可靠的设备也很重要，它可以作为防止外部组装和避免组件之间摩擦的有效工具，而硅的尺寸是硅等材料生产中的关键组件。

掺杂硅

纯净状态下的硅在半导体技术中应用极少，不过，借助一个称为掺杂的工序，硅的结构可以通过加入少许其他元素而改变，以显著增加其导电性。

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掺杂是通过加入某种元素到纯硅中以明显增加半导体导电性的过程。例如，纯硅的电阻率接近2.5 x IO5 Q-cm。

如果每一百万个硅原子中有一个硅原子被一个碑原子取代，电阻率将下降到0.2fl?cm，期间电导率增加了1250 000倍。

掺杂时加入的元素称为掺杂剂或杂质，因为硅不再是纯净的了，换句话说，我们向硅中掺人杂质使得它能传导电流。

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掺杂越多，电导率也越高，注意这里使用“杂质”这一术语来指明是向硅中掺入了另一种元素，我们故意掺入杂质以增加硅的导电性，掺杂硅又被称为非本征硅。

向硅中掺入杂质以改变导电性这一概念是半导体制造的一个关键冋题，如果能够掺入杂质改变硅的导电性并进一步控制硅何时充当导体或绝缘体。

那么我们就把握了固态技术的本质，摻杂剂材料硅位于周期表中的IVA族，并且有四个价电子。

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相邻两族的元素通常用于掺杂：IUA族和VA族IDA族元素由于具有三个价电子而称为三价态。

VA族元素则由于具有五个价电子而称为五价态，三价掺杂剂增加更高的自由组合度，而五价掺杂将增加自由电子的数目。

当三价掺杂剂的原子加入到硅中时，得到的材料称为p型硅，三价掺杂剂称为受主，最常见的受主元素是硼。

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当五价元素加入到纯硅中时，得到的材料称为n型硅。五价掺杂剂称为施主，异型情况下包括磷、珅和餘包括各种不同的掺杂元素。

n型及对于n型硅，导帯电子多于价带空穴，展示加入五价掺杂剂原子的硅，硅原于和施主磷原子之间将形成共价。

每个共价键共用磷原子的一个电子，不过，磷原的第五个电子并不束缚在任何硅原子的周围，正因为此，磷原子的第五个电子只需要很少的能械就凹以逃逸并进入导带。

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在半导体上的运用

对P型硅而言，导带自由电子是多数载流于，在材料中甚多，也存在少址的少数栽流于即价带空穴。

导带中有1个电子对导电意义并不显著，然而，当我们对硅进行捨杂时，加入了差不多数百万个掺杂的原子，产生很多不属于共价键的电子。

在电子和空穴之间存在着大量的移动行为带负电的电子和带正电的空穴相互吸引电子可以相对容易地进入导带。

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如果对材料施加一个电压，电便能汇聚成电流的形式流过材料，要注意掺杂硅仍旧是电中性的。

就n型硅而言，这是因为每个磷原子仍有相同的质子数和电子数，硅原子也是如此，这样半导体中电子和质子的总量:仍然相等，结果净电荷为零。

不相等的是，导带电子的数目远大于价带空穴的数目，p型硅在实验中，硼原子是p型受主，与相邻的四个硅原子形成共价键。

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由于没有第四个电子，接收硼的原子形成电子点，从而产生P型硅，其主要添加到价电子中，存在着空穴。

导带电子数如果多于价带空学数，那就可以理解为，空穴时硅元素当中的主要组成成分，并承载着电子，因数量而讲法不一。

如果将直流系统应用于p形硅，则吸引会将电流从源的负端吸引到p形半导体，而p形半导体现在位于P形半导体中。

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由于每次一个电子流入一个空穴将在它前面的位置产生一个空穴，看上去就好像空穴在移动，即空穴看起来沿着与电子相反的方向移动。

掺杂硅的电阻率通过向硅的晶体結构中引入杂质，实现了对硅的电阻率的精确控制，杂质原子在硅中的浓度决定了材料的导电能力。

纯硅具有约250000-cm的电阳率，是一种极好的绝缘体，相比之下，铜是一种优良导体，它的电阻率为1.7 mn-cm通过向纯硅中加入适当类型和浓度的杂质，掺杂硅的电阻率下降，而导电性增加。

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对于一个给定的电阻率，n型掺杂的浓度低于P型的，这是因为移动一个电子比移动一个空穴需要更少的能量。

要使硅成为有用的导体只需要很小量的掺杂，这对于住硅片上制做半导体器件却是很重要的，在半导体制造期间，硅中的掺杂剂量，或者说浓度，必须小心控制以获得精确的电阻率。

总结

我们用五价或三价元素对纯硅进行掺杂以获得n型或p型半导体，所用物体的类型和数量决定了电流是否起作用。

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并为了了解硅e载流子数的最终电阻活性，然后确定硅材料中的给予者数或接收数，以便可以使用或将n型掺杂应用于p型区域并将截面返回到截面N 类型。

为此，该领域n型贡献者的数量高于接受p型贡献者的数量，结合硅晶体中11型区和p型区的能力很重要。

因为半导体器件要成为有用的电子器件这两种区域都将需要。N型和p型区域之间的结合也很重要，它创造出硅作为半导体的一些有用特性。

这个结被称为pn结pn结是固态电子学的精髓，也是半导体硅片随施加给结的电压不同可以获得它们独一为二的导体或绝缘体性质之根据所在。

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pn结充当一个有用的电子器件的细节将，在硅片制造中几乎都是通过离子注入来制作pn结，注意pn结是在两部分本质相同的材料之间形成的。

P型和N型材料除去微量的掺杂以外几乎没有什么不同，n型村料由施主杂质获得了过剩的可移动电子，而p型材料具有过剰的可移动空穴。

可以说一种材料与另一种材料接触是不实的，P结很紧密，n型和p型材料都是在同一种连续固体物质中形成的。

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包含pn结的硅晶体仍旧看上去像并且表现得与纯的晶体材料类似，在半导体制造中，结的深度和精确度是很关键的。

随着器件关健尺寸的缩小，精确控制硅中 pn结和掺杂浓度的能力，成为半导体芯片制造最主要的挑战。

硅是半导体的重要组成部分，4个价电子是第一种用于制造晶体管的半导体材料，它在50世纪被转化为硅用于工作和制造目的。

参考文献：

《硅珙化学与工艺学》

《硅化学及其应用》

《有机硅高分子化学》

《有机硅聚合物导论》

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