硅silicon

元素符號Si，半金屬，在元素周期表中屬ⅣA族，原子序數14，原子量28.0855，金剛石型晶體，常見原子價為+4。

1810年瑞典人貝采利烏斯(J.J.Berzelius)在加熱石英砂、炭和鐵時，得到一種金屬，根據拉丁文silex(燧石)命名為silicon。當時得到的實際是硅鐵，1824年分離出硅，定為元素。至1854年法國人德維爾(S.C.De-ville)用混合氯化物熔鹽電解法制得晶體硅；以后，得到純度超過99%的純硅；更后，美國杜邦公司用鋅還原四氯化硅得到純度超過99.97%的針狀硅。

硅的地殼豐度僅次于氧，達到25.8%。硅在自然界中，主要的賦存形式為同氧結合成二氧化硅或金屬的硅酸鹽，最純的硅礦物是石英和硅石。

性質和用途金屬硅的性質和鍺、錫、鉛相近。

[硅的主要物理性質]

硅具有半導體性質，其禁帶寬度(300K)為1.107電子伏，本征電阻率(300K)為2.3×10歐姆·厘米，電子遷移率(20)為1350厘米/(伏·秒)，空穴遷移率(20)為480厘米/（伏·秒），電子擴散系數(300K)為34.6厘米/秒，空穴擴散系數(300K)為12.3厘米/秒。

在鋼鐵工業中廣泛用硅鐵作合金添加劑，在多種金屬冶煉中用作還原劑。冶煉鋁合金時加入少量的純度為98%的冶金級硅可大大改善鋁合金的性能。冶金級硅的產量主要與鋼鐵和鋁工業有關。此外純度為98～99%的金屬硅可用來生產三氯氫硅一類的中間產品，配制幾百種硅樹脂潤滑劑和防水化合物等。

金屬硅也是電子工業超純硅的原料。單晶硅用量雖僅為全部硅消費量的1%，但占極為重要的地位，最主要的用途是用于制作大規模集成電路和功率器件。單晶硅的質量日益提高，直徑不斷增大，成本不斷降低，生產半導體硅已成為當代重要的新興工業。1980年世界上多晶硅的生產能力為2695噸，其中用于制作集成電路的為2110噸，用于功率元件的為247噸。主要生產多晶硅的國家為聯邦德國、美國、日本等。1980年多晶硅的價格為65～83美元/公斤，用于集成電路的單晶硅為400～500美元/公斤，用于功率元件的中子摻雜單晶硅為700美元/斤，探測器級高阻單晶硅為5000～14000美元/公斤。

硅的冶煉硅是在電弧爐中還原硅石（SiO含量大于99%）生產的。使用的還原劑為石油焦和木炭等，作用有三：①導電;②作為具有活性的碳完成還原反應;③造成一個結實、多孔性的爐床，使化學反應迅速完成。使用直流電弧爐時，能全部用石油焦代替木炭。石油焦灰分低（0.3～0.8%），采用質量高的硅石如中國硅石（SiO大于99.5%），可直接煉出制造硅鋼片用的高質量硅。煉硅電弧爐向大容量發展，電爐功率由60年代的5000～7000千伏安擴大到70年代末的60000千伏安。

超純硅（多晶硅）的制備超純硅的生產，除個別工廠采用硅烷熱分解法外，一般都采用氫還原三氯氫硅方法。

三氯氫硅的合成用金屬硅和氯化氫氣為原料，在流態化氯化爐中進行反應（見流態化焙燒，氯化冶金），三氯氫硅的沸點為31.5，與絕大多數雜質的氯化物揮發溫度相差較大，所以可用精餾法提純。三氯氫硅極易揮發和水解，產生強腐蝕的鹽酸氣，因此精餾設備必須防止水汽和空氣混入。小規模生產超純硅可采用聚四氟乙烯，特制玻璃或石英作為精餾設備材料，大規模生產則須采用耐腐蝕的金屬或合金材料以免銅、鐵、鎳等重金屬雜質混入，影響超純硅的質量（見超純金屬）。

三氯氫硅氫還原在超低碳的不銹鋼或鎳基合金制成的水冷爐壁還原爐內，用氫將三氯氫硅還原成硅。爐內有不透明石英鐘罩（有透明石英內層和觀察孔）和用細硅芯或鉭管制成的發熱體。細硅芯是用超純硅在特制的硅芯爐內制成。在進行化學氣相沉積之前，由于硅在常溫時電阻率很高，因此硅芯須在石英罩外用電阻加熱至300或用幾千伏的高壓電啟動。經過提純的氫氣(含水蒸氣量很少，露點在-70以下)在揮發器中將三氯氫硅自爐底帶入爐內，于1100～1150進行還原反應，使硅沉積在發熱體上。

二氯化硅在高溫是穩定的，在較低溫度時生成少量的[SiCl]，這是一種油狀物質，容易與水汽反應腐蝕爐壁。由于SiCl的生成影響硅在高溫時的實收率;同時因為難于達到平衡情況，使硅的沉積速度較慢，三氯氫硅氫還原法所生產的多晶棒，供區域熔煉法生產單晶硅用的硅棒直徑為50～100毫米。供直拉法生產單晶用的硅棒直徑為50～150毫米。還原尾氣中的三氯氫硅和四氯化硅在-80以下冷凝回收。氫氣凈化后可以循環使用。

三氯氫硅氫還原制取超純硅的方法沉積速度較慢，一般不超過0.5毫米/時。消耗電能很多，副產品四氯化硅量大，因此研究了很多新的綜合利用方法。根據已發表的資料，其中最有前途的方法是將四氯化硅轉化為三氯氫硅、二氯二氫硅、硅烷，然后還原或分解成為超純多晶硅。

多晶硅純度的鑒定主要通過測定電阻率并計算雜質濃度，能保證多晶硅產品質量達到n型電阻率大于300歐姆·厘米（其中500～1000歐姆·厘米的產品達到60～70%），p型電阻率大于3000歐姆·厘米（其中5000～10000歐姆·厘米的產品大于50%）。最高質量的多晶硅純度能達到n型電阻率1000～2000歐姆·厘米。p型電阻率5000～10000歐姆·厘米。