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半导体行业基础材料-高纯度硅

硅是一种随处可见的元素,在地壳中的含量高达26.3%(仅次于氧),但高纯度的单质硅却是一种战略级别的先进基础材料,拥有着众多独特的性质,符合光伏产业和半导体产业对元器件的独特要求。

以硅为基础材料制作的太阳能电池板能够根据光电效应单向输送电流

  在正常的环境下,纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米。在硅晶体中,每个原子具备四个电子,不多不少,所有外层电子都形成了完美的共价键,不能到处运动,导致了电阻率奇高,几乎就是绝缘体——只能通过极小的电流。

  表面上看,似乎硅并不是很好的材料,但高纯度的单质硅却受到以下几种条件的影响,使得它的性能具备很大的可塑性。

热敏性。

  硅的电阻率与温度有密切的关系,随着温度升高,电阻率会明显变小,在1480摄氏度左右时达到最小。换句话说,在正常使用的状态下,温度越高,导电性就越强,这就给了光伏和半导体器件更多使用上的便利。

  光电特性。

  硅材料对光十分敏感,无光照时,电阻率较大;受到光照时,电阻率会大幅下降,这种半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。

  利用“光导电”特性以及光电效应制作的光电器件就是常见的光伏电池,作为一种新能源,它可以把光能直接转换成电能,是一种方便的清洁能源。

  掺杂特性。

  纯净的半导体材料电阻率很高,但掺入极少量杂质元素后,其导电能力会发生明显的提高。

  因此,人们对于硅材料的纯度有着极高的要求,芯片性能越高,对硅原材料的纯度要求就越高,为了避免杂质对半导体材料的污染,出现导电率的重大偏差,硅料的生产必须在无尘环境下。在此基础上可以给半导体掺入微量的某种特定杂质元素,精确控制它的导电能力,用以制作各种各样的半导体器件。

  一般使用的单质硅材料分为多晶硅和单晶硅两种,它们都可以用来制作光伏电池。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质上:多晶硅晶体的导电性远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。高纯度的多晶硅在单晶炉中经过简单的熔炼后,就可以形成单晶硅(整块材料由一个晶粒生长而成),切片后供集成电路制造所用。

高纯度的硅单质几乎是绝缘体,但是通过对高纯度硅内部混入杂质,可以形成两种不同类型的半导体:N(negative,负)型和P(positive,正)型。

  N型硅是指在硅中掺杂微量的磷或砷,磷和砷的外层有五个电子,而硅只有四个电子,所以它们的第五个电子没有结合键,可以自由移动,因此N型硅本身是一种良好的导体。

  P型硅则与N型硅相对应,微量掺杂使用硼或镓,它们只有三个外层电子,由于缺少一个电子,硅无法形成化学键,所留出的孔可以导电,因此在晶体结构中产生了“空穴”,很容易吸引电子结合。P型硅也是一种良好的导体。

  将N型硅和P型硅结合起来后,它们的结合部就会产生奇特的性质。

  如果P型硅和N型硅像下图一样结合起来,它们就可以很好地传播电流,N型硅中的自由电子受到电池负极驱动,P型硅的孔则方便接受这些自由电子,孔和电子在PN结合部相遇,电子会迅速填充到这些孔中,形成平衡,在结合部产生电流。

PN结的形成

  但如果把P型硅和N型硅的位置转换过来,N型硅中的电子会被吸引到正极,而P型硅中的正电子会被吸引到负极,结合部中几乎不产生电流,整个电路就无法有效传导任何电流。

  也就是说,PN型硅的结合体在一个方向允许电子的传输,而在另一个方向上阻止电流通过,类似于地铁站中的验票机——我们称之为单向导电性。

  基于这种逻辑,人类发明了二极管,构建了现代集成电路的宏伟技术大厦。

  为了尽可能精确地控制半导体分立器件的物理性质,基础硅原料单单具备光伏级的纯度是不够的。

相比光伏级多晶硅99.9999%的纯度,电子级多晶硅的纯度要求达到99.999999999%。更高的纯度意味着更加复杂的生产和提炼过程,“11个9”的纯度,相当于5000吨的电子级多晶硅中总的杂质含量仅有不到一枚1元硬币的重量。

  这使得光伏级多晶硅的生产工艺基本无法起到借鉴作用,难以通过技术升级直接转化为电子级生产线,也就是说需要另起锅炉才能造出满足需求的产品。


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