第4章 有关硅材料的基础知识
4-1 为什么说硅占据电子半导体材料当之无愧的“第一把交椅”？
硅材料现在是电子工业中最重要的半导体材料，其地位十分重要，有人说，硅占据电子工业和太阳能光伏工业材料当之无愧的“第一把交椅”。为什么这样说呢？只要看看下面的数据就会清楚了。
（1）硅的化学稳定性好，本身无环境污染，又具有良好的半导体材料特性。因此，硅是应用最广泛的半导体材料，尤其是在太阳能光伏工业上应用更为广泛，仅多晶硅和单晶硅就占了太阳能光伏材料的90％左右。除了多晶硅和单晶硅外，还有非晶硅也是太阳能的光伏材料之一。
（2）硅的资源丰富。硅是地壳中储量最多的元素之一，仅次于氧，在地壳中的丰度达26％左右。
（3）硅材料具有特殊的物理化学性能和良好的半导体性质。硅熔化时体积缩小，固化时体积增大，这一性质与水基本相同。硅材料的硬度高，脆性大，具有良好的半导体性质，其本征载流子浓度为1.5×1010个/cm3，本征电阻率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/（V·s），空穴迁移率为480cm2/（V·s）。
（4）硅的禁带宽（1.1eV），漏电流小。随着1947年发明双极型晶体管，开始出现了固态电子器件。一开始用于制造二极管和三极管的半导体材料是锗（Ge），然而，由于锗的禁带窄（0.66eV），引起P-N结反向时锗中有相当大的漏电流。这一点限制了锗器件只能在低于100℃时才能工作。此外集成电路平面处理需要能在半导体表面上生成一层钝化层。氧化锗能作为钝化层，但难以生成，而且其溶于水，在800℃时分解。这些限制使锗在作为制造集成电路的材料方面，与硅比起来相形见绌。硅的禁带更宽（1.1eV），漏电流小，因此可以生产出最高工作温度达150℃左右的硅器件。此外硅的氧化物SiO2易于生成，而且化学性质十分稳定。
（5）硅耐高温，抗辐射性较好，可靠性高。因此特别适宜制作大功率器件，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。
（6）硅是最容易制造的半导体材料，在半导体材料中，硅单晶的直径最大。目前，生产直径12in的单晶硅棒已是成熟技术，而且生产18in的单晶硅棒也已不是什么难题。而砷化镓单晶的最大直径仅为6.18in。
（7）硅晶体的完整性最好。在成锭的半导体材料方面，硅单晶的晶体完整性最好，现在已经可以生产出无位错单晶。到目前为止，用其他半导体材料生长无位错单晶还没有成功的例子。
（8）在半导体材料中，硅半导体材料的生产成本最低。
由于硅材料具有独特的性质，使它成为现代电子工业和信息社会的基础，其发展是20世纪材料和电子领域的里程碑，它的发展和应用直接促进20世纪全球科技和工业的高速发展，因而，人类的发展被称为进入“硅时代”，有的国家把自己的高科技研发基地称为“硅谷”。