單晶硅

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單晶硅通常指的是硅原子的一種排列形式形成的物質。

硅是最常見應用最廣的半導體材料，當熔融的單質硅凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成晶核，其晶核長成晶面取向相同的晶粒，形成單晶硅。

單晶硅作為一種比較活潑的非金屬元素晶體，是晶體材料的重要組成部分，處於新材料發展的前沿。單晶硅材料製造要經過如下過程：石英砂-冶金級硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-硅片切割。其主要用途是用作半導體材料和利用太陽能光伏發電、供熱等。

中文名:單晶硅

解 釋:指的是硅原子的一種排列形式形成的物質

目錄

晶體簡介

單晶硅是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在凝固時硅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硅。

晶體性質

單晶硅具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加；有顯著的半導電性。超純的單晶硅是本徵半導體。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成P型硅半導體；如摻入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成N型硅半導體。 ；

半導體

能帶理論

能帶理論用單電子近似方法研究固體中電子能譜的理論。它是在用量子力學研究物質的電導理論的過程中發展起來的。關於固體中電子能量狀態的最早的理論是金屬自由電子論。 實際上，晶體是由大量的原子組成，每個原子又包含原子核及許多電子，它們之間存在着相互作用，每一個電子的運動都受到原子核及其他電子的影響。要研究一個電子的運動，嚴格說來，必須寫出這個包含大量原子核及電子的多體系統的薛定諤方程，並求出此方程的解。但是要求出其嚴格解是很困難的，通常採用單電子近似方法，把多體問題簡化為單電子問題進行研究。這種近似方法包括兩個步驟：第一步，假設晶體中的原子核固定不動，好象靜止在各自的平衡位置上，把一個多體問題簡化成一個多電子問題;第二步，假設每個電子是在固定的原子核的勢場及其他電子的平均勢場中運動，把多電子問題簡化為單電子問題。用這種方法研究晶體中的電子運動，表明晶體中電子許可的能量狀態，將不再是分立的能級，而是由在一定範圍內准連續分布的能級組成的能帶（稱為允帶）。兩個相鄰允帶之間的區域稱為禁帶。能級被電子占滿的能帶稱為滿帶。能級全空着，沒有電子占據的能帶稱為空帶。被價電子占有的允帶稱為價帶。由一個禁帶隔開的兩個鄰近允帶之間的最小能量差稱為能隙。通常用價電子占據的滿帶及其上面的空帶討論物質導電情況。由於外界條件的作用，價帶中的電子可躍遷到上面的空帶中去，價帶由滿帶變為不滿帶，空帶中有了電子稱為導帶。一種晶體的各個允許能帶有一定的寬度，能量高的能帶較寬，能量低的能帶較窄，每一個能帶里包含的能級數目等於晶體所包含的原胞數目。能帶理論成功地解釋了金屬、半導體和絕緣體之間的差別。

本徵半導體和雜質半導體

沒有摻雜雜質的半導體稱為本徵半導體，其中電子和空穴的濃度是相等的。而為了控制半導體的性質需要人為的在半導體中或多或少的摻入某種特定雜質的半導體，稱為雜質半導體。當雜質為施主型雜質（起施放電子作用）稱為N型半導體，當雜質為受主型雜質（接受電子而產生空穴）稱為P型半導體。

與多晶硅的區別

晶體硅根據晶體取向不同又分為單晶硅和多晶硅。單晶硅和多晶硅的區別是；當熔融的單質硅凝固時，硅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，則形成單晶硅；如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅和單晶硅的差異主要在物理性質方面，例如在力學性質、電學性質等方面，多晶硅不如單晶硅。多晶硅可作為控制單晶硅的原料，也是太陽能電池和光伏發電的基礎材料。單晶硅可算的是世界上最純淨的物質了，一般的半導體器件要求硅的純度在6個9（6N)以上。大規模集成電路的要求更高，硅的純度必須達到9個9（9N）。目前，人們已經製造出純度為12個9（12N)的單晶硅。

主要用途

單晶硅主要應用於太陽能電池。應用最早的是硅太陽能電池，其轉換效率高，技術最為成熟，多用於光照時間少，光照強度小、勞動力成本高的區域，如航空航天領域等。通過採用不同的硅片加工及電池處理技術，國內外各科研機構和電池廠家都生產製備出了較高效率的單晶硅電池。

製備方法

單晶硅製備，需要實現從多晶到單晶的轉變，即原子由液相的隨機排列直接轉變為有序陣列，由不對稱結構轉變為對稱結構。這種轉變不是整體效應，而是通過固液界面的移動逐漸完成的，為實現上述轉化過程，多晶硅就要經過固態硅到熔融態硅，再到固態晶體硅的轉變，這就是從熔融硅中生長單晶硅所要遵循的途徑。目前應用最廣泛的有兩種，坩堝直拉法和無坩堝懸浮區熔法，這兩種方法得到的單晶硅分別稱為CZ硅和FZ硅。

加工工藝

太陽能電池用單晶硅片，一般有兩種形狀，一種是圓形，另一種是方形。以圓形硅片為例，其加工工藝流程為：單晶爐取出單晶-檢查重量、量直徑和其他表觀特徵-切割分段-測試-清洗-外圓研磨-檢測分檔-切片-倒角-清洗-磨片-清洗-檢驗-測厚分類-化學腐蝕-測厚檢驗-拋光-清洗-再拋光-清洗-電性能測-檢驗-包裝-儲存。

市場發展

單晶硅用於太陽能電池無疑轉換效率是最高的，在大規模應用和工生產中仍占據主導地位，但是受到單晶硅材料價格及相應繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的，為了節省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代品具有很大的前景。