在半導體領域，無論是在過去數十年間還是在可見的未來，硅材料都牢牢地占據C位。其可加工成晶圓、蝕刻用硅電極、硅舟等部件、濺射鍍膜用硅靶材、硅窗口片及其他硅制品。

硅在半導體領域能獲取如今的地位，得益于其自身的一些得天獨厚的優點：

原料豐富，占地殼含量的26%；

環境友好，完全沒有毒性；

成本低廉；

表面易形成SiO2這種結構高度穩定的絕緣層；

器件工作溫度較高，最高可達250℃；

臨界切應力大，易生長無位錯單晶等。

一、硅的化學性能

硅元素在自然界中主要以氧化物形式為主的化合物狀態存在。這些化合物在常溫下的化學性質十分穩定。而在高溫下，硅幾乎可以所有物質發生化學反應。如Si和氧氣在高溫下發生反應生成SiO2，Si與水(H2O)在高溫下反應生成SiO2和氫氣。

硅對多數酸都是穩定的，其不與鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、氫氟酸(HF)和王水等反應，但會被硝酸(HNO3)和氟化氫(HF)的混合溶液腐蝕。其反應方程式為：

4HNO3+6HF+Si = H2SiF6+4NO2+4H2O

硅還可以與部分堿溶液發生反應，如：

Si+2NaOH+H2O = NaSiO3+2H2

二、硅的光學性能

室溫下，硅的禁帶寬度為1.12eV，理論上不吸收紅外光。單晶硅在紅外波段的折射率為3.5。高純硅在近紅外波段(1.1-1.5μm) 幾乎是透明的，因此可以用來制作近紅外透鏡。而當在硅中摻雜時，隨著摻雜濃度的變化，其光學性質也會發生變化。如下圖所示，N型硅，隨著摻雜濃度的增加，載流子對光的吸收隨之增加。

不過，硅是間接帶隙半導體，因此不能用來做激光器和發光管。此外，硅無線性光電效應，因此也不能做調制器和光電開關。

三、硅的力學性能

硅晶體硬度高，抗拉應力大，但在室溫下沒有延展性，是典型的脆性材料，十分易碎。因此可加性較差。隨著溫度的增加，硅的屈服應力逐漸降低。其脆性到塑性轉變的溫度約為780℃。

四、硅的電學性能

高純的硅單晶，其絕大多數原子都與相鄰的四個原子構成共價鍵。晶體內幾乎沒有多余的電子和空穴，也就不存在導電性。但一旦晶體內出現其他的雜質元素，很有可能引入額外的電子和空穴(統稱為載流子)，導致其導電性能得到提升。基于此，研究人員設計出通過在硅單晶中摻雜來控制硅的電學性質的工藝。根據摻雜元素的差異，形成了兩種典型的摻雜硅，如下圖所示，分別為P型Si和N型Si。其中，在硅單晶中摻雜硼(B)元素，會引入空穴，獲得P型Si；而在硅單晶中摻雜磷(P)元素，會引入電子，獲得N型Si。未摻雜的高純硅稱為本征硅，其導電性能很差。室溫下電阻率的理論值約為230KΩ·cm。而在適當摻雜后，硅單晶的電阻率將得到顯著下降。如在硅單晶中摻入百萬分之一的磷，其電阻率將從約230KΩ·cm降至約0.2KΩ·cm。

根據摻雜濃度的高低，可將摻雜硅分為輕摻和重摻兩種。其中，前者摻雜濃度<1×10^16 (/cm3)，室溫下摻雜劑可認為全部電離，電阻率與摻雜濃度呈簡單反比關系；后者摻雜濃度>1×10^16 (/cm3)，而當摻雜濃度較高時，電阻率和摻雜濃度不再呈簡單的線性關系。這主要是因為重摻摻雜劑在室溫下不能全部電離，載流子的遷移率隨摻雜劑濃度的增加而顯著下降。

五、硅的其他性能

在低溫時，硅的熱膨脹系數隨著溫度的增加而降低，當溫度達到某一臨界值后繼續升高，其熱膨脹系數則會隨著溫度的增加而增加。

本征硅的熱導率隨溫度的增加先增加后下降。

硅晶體的晶格常數(a)會隨著溫度的升高而略有增加。

審核編輯：黃飛