半导体材料硅基本性质
硅知识点总结框架
硅知识点总结框架全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：硅是一种常见的半导体材料，广泛应用于电子工业中。
在学习硅的知识点时，我们可以按照以下框架进行总结：硅的基本性质、硅的制备方法、硅的应用领域以及硅的未来发展方向。
我们来看硅的基本性质。
硅是周期表中第14元素，化学符号为Si。
它是一种灰白色的固体，具有金属和非金属的特性。
硅是地壳中含量最丰富的元素之一，其化学性质稳定，不容易与其他元素发生化学反应。
硅具有良好的导电性和热导性，是一种优良的半导体材料。
硅的制备方法主要包括自然硅的提取和人工合成两种。
自然硅主要存在于硅酸盐矿物中，通过矿石的精炼和提纯可以得到高纯度的硅。
人工合成硅主要是指通过化学反应将硅源物质转化为硅材料。
目前，工业上主要采用的制备方法是化学气相沉积法和晶体生长法。
硅的应用领域非常广泛，主要包括电子工业、光伏产业、半导体材料等方面。
在电子工业中，硅被广泛应用于集成电路、太阳能电池、电子器件等领域，是现代电子产品的重要组成部分。
硅还可以用于制备硅钢、硅铁合金等工业原材料，广泛应用于冶金、化工等领域。
未来，硅材料在电子工业中的应用前景非常广阔。
随着5G、人工智能等新兴技术的发展，对集成电路和光伏材料的要求越来越高，硅作为优良的半导体材料将在未来得到更广泛的应用。
人们也在不断研究硅材料的改性方法，以提高其性能和应用范围。
第二篇示例：硅知识点总结框架硅是一种非金属元素，化学符号为Si，原子序数为14。
硅在地壳中含量很高，是地壳中第二多的元素。
硅是一种广泛应用的材料，被广泛用于电子工业、建筑领域、制造业等多个领域。
以下是硅知识点的总结框架：一、硅的性质1. 物理性质：硅是一种灰色的晶体，熔点为1414°C，沸点为3265°C。
硅是半导体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。
2. 化学性质：硅是惰性元素，不容易与其他元素反应。
硅可以与氧形成氧化硅，与氢形成硅氢化合物。
二、硅的结构1. 晶体结构：硅以晶体形式存在，常见的晶体结构包括钻石结构、闪锌矿结构等。
神奇的半金属硅元素的无限潜力
神奇的半金属硅元素的无限潜力硅（Si）是一种重要的半金属元素，拥有着广泛的应用领域和无限的潜力。
作为地壳中含量第二丰富的元素，硅在科技和工业领域发挥着重要的作用，并对人类的生活产生了深远的影响。
一、硅元素的基本性质和特点硅元素具有许多独特的性质和特点，这使得它在多个领域的应用变得可能。
首先，硅是一种典型的半导体材料，具有优良的电学特性，常被用于集成电路和电子元件的制造。
其次，硅具有较高的熔点和热稳定性，使得它成为制造耐高温材料的理想选择。
此外，硅还具有良好的光学特性和化学稳定性，可用于光学器件和化学材料的制备。
二、硅在电子领域的应用硅在电子领域的应用是最为广泛的。
作为半导体材料，硅被广泛应用于集成电路、太阳能电池、传感器、光纤通信等领域。
由于硅材料的稳定性和可靠性，使得电子产品在性能和可靠性方面得到了长足的发展。
同时，硅元素的生产成本相对较低，可以大规模生产，成为现代电子工业的基础。
三、硅在材料领域的应用硅作为一种耐高温材料，在材料领域也有着重要的应用。
例如，硅碳陶瓷是一种新型的高温材料，具有优良的机械性能和化学稳定性，广泛用于航空航天、能源和化工等领域。
此外，硅橡胶、硅胶等材料也是常见的硅元素制品，被广泛应用于密封、绝缘和医疗器械等领域。
四、硅在能源领域的应用随着能源危机的加剧和对可再生能源的需求增加，硅在能源领域的应用也日益被重视。
硅是太阳能电池的主要材料之一，通过吸收光能转化为电能，具有绿色环保的特点。
此外，硅基锂离子电池是目前最常见的电池之一，广泛用于电动车、手机、笔记本电脑等设备中。
五、硅在生物医学领域的应用除了电子、材料和能源领域，硅在生物医学领域也有重要的应用。
硅微米纳米粒子被用于药物传输和靶向治疗，为治疗肿瘤等疾病提供新的途径。
此外，硅材料具有良好的生物相容性和可降解性，可用于骨科修复材料、人工关节等医疗器械的制备。
六、硅元素的未来发展趋势随着科学技术的不断进步，硅元素在未来的发展中仍有着巨大的潜力。
未来之光硅的应用与前景展望
未来之光硅的应用与前景展望未来之光：硅的应用与前景展望在当今科技发展的浪潮下，硅作为一种重要的半导体材料，正逐渐展现出其在未来的广阔应用前景。
本文将从硅的基本性质、当前应用领域以及未来的发展趋势三个方面来探讨硅的应用与前景展望。
一、硅的基本性质硅是周期表中的一种非金属元素，拥有与钻石相似的晶体结构，可在自然界中以二氧化硅形式存在。
硅具有许多独特的物理和化学性质，使得它成为了制造半导体器件的理想材料。
硅在室温下是一种固体，具有良好的导电性并能够在高温情况下保持稳定。
此外，硅还具有较高的熔点、良好的机械强度和化学稳定性，使得其在制造电子器件时具有很高的可靠性。
二、当前应用领域1. 半导体产业：由于硅具有优良的半导体特性，它被广泛应用于半导体产业中。
目前，硅是制造集成电路的主要材料，包括微处理器、存储器、光电器件等。
硅芯片的制造技术已经十分成熟，并且在现代电子产品中发挥着至关重要的作用。
2. 光伏产业：光伏产业是利用太阳辐射能直接转化为电能的产业。
硅是制造太阳能电池的主要材料之一，其优异的光电转换效率使得光伏发电系统越来越受到重视。
随着对可再生能源需求的增加，光伏产业有望在未来得到进一步发展。
3. 人工智能：硅在人工智能领域的作用也日益凸显。
硅芯片的高速计算能力和低功耗特性，使其成为人工智能算法的重要支持。
当前，硅芯片已广泛应用于深度学习芯片、云计算和大数据存储设备等关键领域。
三、未来发展趋势1. 新型半导体材料：除了传统的硅材料，新型半导体材料的研发也备受关注。
例如，石墨烯、硼化硅等新材料具有出色的特性，有望在未来的半导体产业中取代传统硅材料。
2. 光电子技术的进步：随着光电子技术的不断进步，硅在光学传感器、光通信和光计算领域的应用将成为未来的发展重点。
硅基光子学将能够解决传统电子器件在通信速率和能效方面面临的挑战，为信息传输提供更高速、更稳定的解决方案。
3. 硅基能源技术：在能源领域，硅也将发挥重要作用。
半导体材料硅其他
双面电池技术可以提高硅基太阳能电池的吸收效率和发电量，逐渐得到广泛应用。
智能电网技术不断发展
智能电网技术可以实现电力的高效调度和分配，提高电力供应的可靠性和稳定性，为硅基太阳能电池的应用提供了更广阔 的市场前景。
硅基LED芯片的发展
LED照明市场不断扩大
随着LED照明技术的不断发展，LED照明市场不断扩大，对硅基LED芯片的需求也不断增 加。
高亮度LED芯片不断发展
高亮度LED芯片的发展可以实现更高的亮度和更广的应用范围，如汽车照明、户外显示屏 等。
LED芯片智能化发展
通过将传感器、控制电路等智能化元件集成到LED芯片中，可以实现更智能化的照明和显 示效果，提高照明质量和视觉体验。
05
半导体材料硅的前沿研究
硅基集成电路的前沿研究
硅基集成电路是当前电子信息技术发展的核心驱 动力，其前沿研究主要集中在以下几个方面
多结太阳能电池：多结太阳 能电池是指将不同禁带宽度 的半导体材料结合在一起， 从而吸收更多太阳光谱的光 线，提高太阳能电池的转换 效率。
硅基LED芯片的前沿研究
硅基LED芯片是一种新型的照明技术，其前沿研 究主要集中在以下几个方面
多色：多色硅基LED芯片的发展可以使得照明更 加丰富多彩，包括高亮度红、橙、黄、绿、蓝、 靛、紫等不同颜色的LED芯片。
通过掺杂反应，可以改变硅晶体的导电性和光学性质。例如，掺磷的硅晶体具有 较高的导电性，常用于制造集成电路和太阳能电池。而掺硼的硅晶体则具有较好 的光学性质，常用于制造光纤和光学器件。
03
半导体材料硅的应用
集成电路
1 2 3
微处理器
微处理器是计算机的核心部件，采用硅基集成 电路，可完成运算、控制等操作。
硅材料知识
硅材料的基本特性1、硅材料的基本特性；2、硅单晶材料的重要参数定义：晶向；导电类型；电阻率；杂质分布均匀性；微缺陷；晶片几何尺寸及公差；厚度；弯曲度；翘曲度；平行度；抛光片的平坦度；3、硅单晶中杂质的缺陷对器件的影响。
硅结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。
化学性质非常稳定。
在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。
硅的用途：①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。
在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。
在开发能源方面是一种很有前途的材料。
②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。
将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。
可应用于军事武器的制造。
第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。
③光导纤维通信，最新的现代通信手段。
用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。
光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。
光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。
④性能优异的硅有机化合物。
例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。
在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。
在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。
天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。
发现1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。
名称由来源自英文silica，意为“硅石”。
分布硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。
《硅半导体材料基础》课件
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利 乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的 原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连 续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性 ，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具 有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形 成异质结构，实现优势互 补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的 硅基材料，探索其在光电 器件和电子器件中的应用 。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高 硅半导体的导电性能和稳 定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善 硅半导体的表面质量和稳 定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递 和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶 格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定 性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度 下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法
硅的性质
谢谢！
①电阻率特性
► 硅材料的电阻率在10-5~1010Ω·cm 之间，介于导体 和绝缘体之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料 称为本征半导体，电阻率在106Ω·cm 以上。在实际 应用中，通过掺人可控制的少量电活性杂质来控制 硅材料的电阻率，达到控制硅材料和器件的半导体 性质的目的。对于四价硅材料而言，如果掺人五价 元素（如磷、砷和锑）杂质，则对硅材料提供电子， 杂质称为施主杂质，硅材料称为n型半导体材料； 反之，如果掺入三价元素（如硼、铝和镓），则对 硅材料提供空穴，杂质称为受主杂质，硅材料称为 p型半导体材料。进一步，硅材料的导电性还受到 光、电、磁、热、温度等环境因素的明显影响。
硅材料的性质
►硅材料是半导体工业中最重要且应用最广泛 的元素半导体材料，是微电子工业和太阳能 光伏工业的基础材料。它既具有元素含量丰 富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又 具有良好的半导体材料特性。
► 硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非 晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉 单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和 薄膜多晶硅，它们有各自优点和弱点，其中直拉单 晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材 料的90％左右。
硅的化学性质
► 硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。 硅晶体在常温下化学性质非常稳定，但在高温下， 硅几乎能与所有物质发生化学反应。室温下表面被 氧化形成很薄的一层二氧化硅保护膜。高温时能跟 所有卤素反应，生成四卤化硅，跟氧气在700℃以 上时燃烧生成二氧化硅。跟氯化氢气在500℃时反 应，生成三氯氢硅SiHCl3和氢气。高温下能跟某些 金属(镁、钙、铁、铂等)反应，生成硅化物。硅跟 卤化物的反应是制备多晶硅的主要步骤之一。
► 硅材料的禁带宽度为1.12eV，器件的结漏电流相对 较小，硅器件的工作温度可达250℃。但是，硅材 料的电子迁移率较其他半导体材料小，在高频条件 下工作时，硅器件的性能不如化合物半导体材料。 另外，由于光吸收处于红外波段，硅材料对1~7um 的红外光是透过的.
半导体材料硅的基本性质
一．半导体材料1.1固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
1）二元化合物GaA—砷化镓SiC—碳化硅2）三元化合物AlGa11A—砷化镓铝AlIn11A—砷化铟铝1.3半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体1.4掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。
如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。
如硼、铝就是硅的受主。
图1.1（a）带有施主（砷）的n型硅（b）带有受主（硼）的型硅1.5掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
二．硅的基本性质1.1硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
1.2硅的电学性质硅的电学性质有两大特点：pcm2/（V・S）cm/Scm2/SeVcm-3cm°C-3248034.612.31.112.8某10191.04某1025019DnDpEgNcNv表1硅的物理化学性质（300K）一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4〜1010・cm二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。
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半导体材料硅的基本性质一．半导体材料固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
1)二元化合物GaAs —砷化镓SiC —碳化硅2)三元化合物As —砷化镓铝AlGa11AlInAs —砷化铟铝11半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。
非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。
如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。
如硼、铝就是硅的受主。
图（a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。
如图所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。
如图所示。
二．硅的基本性质硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
性质符号单位硅（Si）原子序数Z 14原子量M原子密度个/cm3 ×1022晶体结构金刚石型晶格常数 a Å熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3介电常数ε0个/ cm3×1010本征载流子浓度ni本征电阻率ρi Ω·cm ×105电子迁移率μn cm2/(V·S) 1350空穴迁移率μp cm2/(V·S) 480电子扩散系数Dncm2/S空穴扩散系数Dp cm2/S禁带宽度（25℃）Eg eV导带有效态密度Nc cm-3×1019价带有效态密度Nvcm-3×1019器件最高工作温度℃250表1 硅的物理化学性质（300K）硅的电学性质硅的电学性质有两大特点：一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。
无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。
当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。
例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。
掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。
当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。
硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。
如图所示电阻率随杂质浓度的变化硅的化学性质硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。
1.硅的热氧化反应～1100℃Si + O2 → SiO2 ～1000℃Si + 2H2O → SiO2+ H2在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。
2.硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应～300℃Si + 2Cl2 → SiCl4～280℃Si + 3HCl→ SiHCl3 + H2上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。
3.硅与酸的化学反应硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。
（1）硅与HF—HNO3混合液的化学反应Si + 4HNO3 + 6HF → H2SiF6+ 4NO2+ 4H2OHNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。
此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。
（2）硅与HF—CrO3混合液有化学反应Si + CrO3 + 8HF → H2SiF6+ CrF2+ 3H2O此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反应1400℃Si + SiO2→ 2SiO在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。
反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。
在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。
硅的晶体结构和化学键1.硅的晶体结构硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。
如图和图所示。
图共价四面体图硅的晶体结构2．硅晶体的化学键硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。
具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。
电子的配对是形成共价键的必要条件。
硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。
硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。
3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。
根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。
那么，两个p电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。
如此，硅原子的价电子配布为：3s 3p按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。
只有p 轨道上的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。
这样每个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。
这个矛盾靠轨道的杂化来解决。
硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：3s 3psp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。
虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳定。
共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。
所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。
硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。
这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。
因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。
这个特性就是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。
硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。
所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。
而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。
因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
硅的半导体性质1. 硅原子能级图图一孤立硅原子能级图2. 硅晶体的能带结构图硅晶体的能带结构图晶体的能带代表的物理意义：反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。
设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。
实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N 个孤立原子的一个能级扩层或分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。
如图所示。
图原子能级和能带3. 导体、半导体及绝缘体的能带模型能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体的区别，如图所示。
金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。
在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。
能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。
半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。
最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。
外电场很难改变其能带填充状况，因而不产生电流。
在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。
绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。
4. 硅晶体的禁带宽度Eg禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。
Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。
较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳定性。
Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T→0K 时，Eg趋于一个常数，如图所示。
图 Si的禁带宽度Eg随温度的变化5. 硅中杂质的能级和缺陷能级理想的硅晶体，即无缺陷无掺杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。
当掺入杂质或有缺陷时，禁带中将有杂质或缺陷能及存在，将明显影响半导体性能，对电导起主要作用。
实际半导体都会有一定的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。
硅中的杂质能级如图所示。
图硅中杂质能级a. 浅能级杂质在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级非常靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。
b.深能级杂质在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：金，银，铜，铁等重金属杂质。
电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。
c.缺陷（原生缺陷和工艺诱生缺陷）半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。
6. 载流子浓度载流子浓度随温度的变化如图所示。
图以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度7. PN结a. PN结的光生伏特效应光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。
b. 光电转换的物理过程①吸收光能激发出非平衡电子一空穴对②非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动③非平衡电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两端产生电势④将PN结用导线连接，形成电流⑤在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换百度文库-让每个人平等地提升自我11。