硅是一種半導體材料，并且它具有 4 個價電子，并且與其他元素一起位于表中的周期性 IVA 組中，其中在優(yōu)質(zhì)導體與絕緣體之間，它的中價層電子是處于最優(yōu)存在數(shù)量的。

自然界中沒有純硅，硅需要精煉并精煉成需要在半導體中制造的純硅，它存在于硅酸鹽和其他硅酸鹽中，硅土是沙子，是主要的玻璃素。

其他硅包括無色金屬、銅、瑪瑙和蛋白石，硅的熔點是1412°C，硅是一種質(zhì)硬的脆性材料，若變形將很容易破碎。

這與玻璃相似它可以拋光得像鏡面一樣平整，硅表現(xiàn)岀許多與金屬一樣的性質(zhì)，同時也只有非金屬的性質(zhì)。

純硅

硅是導體和導體在同一表中，即硅作為半導體，純硅是指既不純也不與其他材料變形的內(nèi)部硅。

純硅原子結(jié)合可以看到給定電子的相同親和力和價電子部分是完美的，并且大部分硅取自其強大的親和力。

純硅中的共價性質(zhì)將電子結(jié)合在一起形成固體，電穩(wěn)定的元素，純硅是不好的，因為所有的價電子都充滿了健康。

以純硅形式而言，硅并不是有用的半導體，當兩個或更多的原子以這種可重復的形式結(jié)合在一起形成固體材料時，被稱為晶體。

晶體是光滑、透明的固體，形成了三維的晶格結(jié)構(gòu)，窗戶玻璃就是晶體材料的一個例子，如果可以在硅片制備中，一般會學習到有關(guān)晶體的更多知識。

為何選擇硅

在20世紀40年代和50年代早期有著許多用做半導體的材料，但是，硅的出現(xiàn)，打敗了所有的半導體材料，它們很快被硅取代了。

為什么硅被選為主要的半導體材料呢？主要有4個理由：硅的豐裕度、更髙的熔化溫度允許更寬的工藝容限、更寬的工作溫度范圍、氧化硅的自然生成。

硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)過合理加工，硅能夠提純到半導體制造所需的足夠高的純度而消耗更低的成本。

硅的熔點遠高于其他半導體材料的熔點，更髙的熔點使得硅可以承受高溫工藝，使用硅的另一個優(yōu)點是用硅制造的半導體件可以用于更寬的溫度范圍。

半導體的高效率和可靠性，以及最終硅作為非導電實體的關(guān)鍵問題是它在實驗中能夠產(chǎn)出出并使用硅酸的能力。

同時，擁有安全可靠的設備也很重要，它可以作為防止外部組裝和避免組件之間摩擦的有效工具，而硅的尺寸是硅等材料生產(chǎn)中的關(guān)鍵組件。

摻雜硅

純凈狀態(tài)下的硅在半導體技術(shù)中應用極少，不過，借助一個稱為摻雜的工序，硅的結(jié)構(gòu)可以通過加入少許其他元素而改變，以顯著增加其導電性。

摻雜是通過加入某種元素到純硅中以明顯增加半導體導電性的過程。例如，純硅的電阻率接近2.5 x IO5 Q-cm。

如果每一百萬個硅原子中有一個硅原子被一個碑原子取代，電阻率將下降到0.2fl?cm，期間電導率增加了1250 000倍。

摻雜時加入的元素稱為摻雜劑或雜質(zhì)，因為硅不再是純凈的了，換句話說，我們向硅中摻人雜質(zhì)使得它能傳導電流。

摻雜越多，電導率也越高，注意這里使用“雜質(zhì)”這一術(shù)語來指明是向硅中摻入了另一種元素，我們故意摻入雜質(zhì)以增加硅的導電性，摻雜硅又被稱為非本征硅。

向硅中摻入雜質(zhì)以改變導電性這一概念是半導體制造的一個關(guān)鍵冋題，如果能夠摻入雜質(zhì)改變硅的導電性并進一步控制硅何時充當導體或絕緣體。

那么我們就把握了固態(tài)技術(shù)的本質(zhì)，摻雜劑材料硅位于周期表中的IVA族，并且有四個價電子。

相鄰兩族的元素通常用于摻雜：IUA族和VA族IDA族元素由于具有三個價電子而稱為三價態(tài)。

VA族元素則由于具有五個價電子而稱為五價態(tài)，三價摻雜劑增加更高的自由組合度，而五價摻雜將增加自由電子的數(shù)目。

當三價摻雜劑的原子加入到硅中時，得到的材料稱為p型硅，三價摻雜劑稱為受主，最常見的受主元素是硼。

當五價元素加入到純硅中時，得到的材料稱為n型硅。五價摻雜劑稱為施主，異型情況下包括磷、珅和餘包括各種不同的摻雜元素。

n型及對于n型硅，導帯電子多于價帶空穴，展示加入五價摻雜劑原子的硅，硅原于和施主磷原子之間將形成共價。

每個共價鍵共用磷原子的一個電子，不過，磷原的第五個電子并不束縛在任何硅原子的周圍，正因為此，磷原子的第五個電子只需要很少的能械就凹以逃逸并進入導帶。

在半導體上的運用

對P型硅而言，導帶自由電子是多數(shù)載流于，在材料中甚多，也存在少址的少數(shù)栽流于即價帶空穴。

導帶中有1個電子對導電意義并不顯著，然而，當我們對硅進行捨雜時，加入了差不多數(shù)百萬個摻雜的原子，產(chǎn)生很多不屬于共價鍵的電子。

在電子和空穴之間存在著大量的移動行為帶負電的電子和帶正電的空穴相互吸引電子可以相對容易地進入導帶。

如果對材料施加一個電壓，電便能匯聚成電流的形式流過材料，要注意摻雜硅仍舊是電中性的。

就n型硅而言，這是因為每個磷原子仍有相同的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)，硅原子也是如此，這樣半導體中電子和質(zhì)子的總量:仍然相等，結(jié)果凈電荷為零。

不相等的是，導帶電子的數(shù)目遠大于價帶空穴的數(shù)目，p型硅在實驗中，硼原子是p型受主，與相鄰的四個硅原子形成共價鍵。

由于沒有第四個電子，接收硼的原子形成電子點，從而產(chǎn)生P型硅，其主要添加到價電子中，存在著空穴。

導帶電子數(shù)如果多于價帶空學數(shù)，那就可以理解為，空穴時硅元素當中的主要組成成分，并承載著電子，因數(shù)量而講法不一。

如果將直流系統(tǒng)應用于p形硅，則吸引會將電流從源的負端吸引到p形半導體，而p形半導體現(xiàn)在位于P形半導體中。

由于每次一個電子流入一個空穴將在它前面的位置產(chǎn)生一個空穴，看上去就好像空穴在移動，即空穴看起來沿著與電子相反的方向移動。

摻雜硅的電阻率通過向硅的晶體結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)，實現(xiàn)了對硅的電阻率的精確控制，雜質(zhì)原子在硅中的濃度決定了材料的導電能力。

純硅具有約250000-cm的電陽率，是一種極好的絕緣體，相比之下，銅是一種優(yōu)良導體，它的電阻率為1.7 mn-cm通過向純硅中加入適當類型和濃度的雜質(zhì)，摻雜硅的電阻率下降，而導電性增加。

對于一個給定的電阻率，n型摻雜的濃度低于P型的，這是因為移動一個電子比移動一個空穴需要更少的能量。

要使硅成為有用的導體只需要很小量的摻雜，這對于住硅片上制做半導體器件卻是很重要的，在半導體制造期間，硅中的摻雜劑量，或者說濃度，必須小心控制以獲得精確的電阻率。

總結(jié)

我們用五價或三價元素對純硅進行摻雜以獲得n型或p型半導體，所用物體的類型和數(shù)量決定了電流是否起作用。

并為了了解硅e載流子數(shù)的最終電阻活性，然后確定硅材料中的給予者數(shù)或接收數(shù)，以便可以使用或?qū)型摻雜應用于p型區(qū)域并將截面返回到截面N 類型。

為此，該領域n型貢獻者的數(shù)量高于接受p型貢獻者的數(shù)量，結(jié)合硅晶體中11型區(qū)和p型區(qū)的能力很重要。

因為半導體器件要成為有用的電子器件這兩種區(qū)域都將需要。N型和p型區(qū)域之間的結(jié)合也很重要，它創(chuàng)造出硅作為半導體的一些有用特性。

這個結(jié)被稱為pn結(jié)pn結(jié)是固態(tài)電子學的精髓，也是半導體硅片隨施加給結(jié)的電壓不同可以獲得它們獨一為二的導體或絕緣體性質(zhì)之根據(jù)所在。

pn結(jié)充當一個有用的電子器件的細節(jié)將，在硅片制造中幾乎都是通過離子注入來制作pn結(jié)，注意pn結(jié)是在兩部分本質(zhì)相同的材料之間形成的。

P型和N型材料除去微量的摻雜以外幾乎沒有什么不同，n型村料由施主雜質(zhì)獲得了過剩的可移動電子，而p型材料具有過剰的可移動空穴。

可以說一種材料與另一種材料接觸是不實的，P結(jié)很緊密，n型和p型材料都是在同一種連續(xù)固體物質(zhì)中形成的。

包含pn結(jié)的硅晶體仍舊看上去像并且表現(xiàn)得與純的晶體材料類似，在半導體制造中，結(jié)的深度和精確度是很關(guān)鍵的。

隨著器件關(guān)健尺寸的縮小，精確控制硅中 pn結(jié)和摻雜濃度的能力，成為半導體芯片制造最主要的挑戰(zhàn)。

硅是半導體的重要組成部分，4個價電子是第一種用于制造晶體管的半導體材料，它在50世紀被轉(zhuǎn)化為硅用于工作和制造目的。

參考文獻：

《硅珙化學與工藝學》

《硅化學及其應用》

《有機硅高分子化學》

《有機硅聚合物導論》