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化學中矽的性質

生活 更新时间:2024-05-09 13:19:37
  • 【矽的物理性質】

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)1

  • 矽,元素符号Si,原子序數14,原子量28.086,位于第三周期第IVA族,共價半徑117皮米,離子半徑42皮米,第一電離能786.1kJ/mol,電負性1.8,密度2.33g/cm3,熔點1410℃,沸點2355℃,硬度7。元素矽有無定形矽和晶體矽兩種同素異形體。無定形矽為黑色;晶體矽呈鋼灰色,有明顯的金屬光澤、晶格和金剛石相同,硬而脆,能導電,但導電率不如金屬且随溫度的升高而增加,屬半導體。在熱處理溫度大于750℃時,矽材料由脆性材料轉變為塑性材料,在外加應力下,産生滑移位錯,形成塑性變形。矽材料還具有一些特殊的物理性質,如矽材料熔化時體積縮小,固化時體積增大。
  • 作為半導體材料,矽具有典型的半導體材料的電學性質。
  • (1)阻率特性 矽材料的電阻率在10-5~1010Ω•cm之間,介于導體和絕緣體之間,高純未摻雜的無缺陷的晶體矽材料稱為本征半導體,電阻率在10Ω•cm以上。
  • (2)PN結特性 N型矽材料和P型矽材料相連,組成PN結,這是所有矽半導體器件的基本結構,也是太陽電池的基本結構,具有單向導電性等性質。
  • (3)光電特性 與其他半導體材料一樣,矽材料組成的PN結在光作用下能産生電流,如太陽電池。但是矽材料是間接帶隙材料,效率較低,如何提高矽材料的發電效率正是目前人們所追求的目标。
  • 同位素
  • 矽(原子質量單位: 28.0855)共有23種同位素,其中有3種天然的穩定同位素Si(92.2%)、Si(4.7%)和Si(3.1%),還有質量數為25、26、27、31和32的人工放射性同位素。

【矽的化學性質】

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)2

  • 低溫時單質矽不活潑,不與空氣、水和酸反應。室溫下表面被氧化形成1000皮米二氧化矽保護膜。高溫時能跟所有鹵素反應,生成四鹵化矽,跟氧氣在700℃以上時燃燒生成二氧化矽。跟氯化氫氣在500℃時反應,生成三氯氫矽SiHCl3和氫氣。高溫下能跟某些金屬(鎂、鈣、鐵、鉑等)反應,生成矽化物。赤熱時跟水蒸氣反應生成二氧化矽和氫氣。跟強堿溶液反應生成矽酸鹽放出氫氣。跟氫氟酸反應生成四氟化矽。

【矽的分類】

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)3

  • 按純度可分為:工業矽、太陽能級矽、電子級矽。
  • 按摻雜類型分為:本征矽、P型矽、N型矽。
  • 按晶體類型分為:單晶矽、多晶矽、非晶矽。

【晶态矽與非晶态矽的結構】

  • 矽按照晶體形态分為晶态和非晶态兩種,晶态矽又分為單晶矽和多晶矽,不同形态的矽材料具備不同的結構。
  • (1)單晶矽的結構

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)4

  • 單晶矽即矽的單晶體,具有基本完整的點陣結構晶體,不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導體材料。用于制造半導體器件,太陽能電池等。是采用高純度的多晶矽在單晶爐内拉制而成的。熔融的單晶矽在凝固時矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核,如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒,則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶矽。
  • 單晶矽具有準金屬的物理性質,有較弱的導電性,其電導率随溫度的升高而增加,有顯著的半導電性。單晶矽具有金剛石晶格,晶體硬而脆,具有金屬光澤,但導電率不及金屬,随着溫度增加,具有半導體性質。如圖7-6所示
  • (2)多晶矽的結構

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)5

  • 多晶矽,是單質矽的一種形态。熔融的單質矽在過冷條件下凝固時,矽原子以金剛石 晶格形态排列成許多晶核,如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒,則這些晶粒結合起來,就結晶成多晶矽。
  • 多晶矽具有灰色金屬光澤,熔點1410℃。沸點2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中,不溶于水、硝酸和鹽酸。硬度介于鍺和石英之間,室溫下質脆,切割時易碎裂。加熱至800℃以上即有延性,1300℃時顯出明顯變形。常溫下不活潑,高溫下與氧、氮、硫等反應。在高溫熔融狀态下,具有較大的化學活潑性,能與幾乎任何材料作用。具有半導體性質,是極為重要的優良半導體材料,但微量的雜質即可大大影響其導電性。
  • (3)非晶矽的結構
  • 非晶矽又稱無定形矽。單質矽的一種形态。棕黑色或灰黑色的微晶體,不具有完整的金剛石晶胞,純度不高。熔點、密度和硬度也明顯低于晶體矽。
  • 非晶矽的用途很多,可以制成非晶矽場效應晶體管;用于液晶顯示器件、集成式a—Si倒相器、集成式圖象傳感器、以及雙穩态多諧振蕩器等器件中作為非線性器件;利用非晶矽膜可以制成各種光敏、位敏、力敏、熱敏等傳感器;利用非晶矽膜制做靜電複印感光膜,不僅複印速率會大大提高,而且圖象清晰,使用壽命長;等等。目前非晶矽的應用正在日新月異地發展着,可以相信,在不久的将來,還會有更多的新器件産生。

化學中矽的性質(矽的物理化學性質及分類)6

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