硅作為一種半導(dǎo)體的使用材料徹底改變了電子工業(yè)，開啟了數(shù)字時(shí)代。然而，許多人仍對這種重要的材料的性質(zhì)和用途一無所知。讓我們近距離地了解一下硅，它是什么，怎樣生產(chǎn)，用途是什么，以及硅行業(yè)的未來可能會(huì)有什么發(fā)展。

您可能沒有意識(shí)到，但硅（Si）在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著重要的作用。作為電力電子制造中使用最廣泛的材料之一，你可以在所有智能手機(jī)、筆記本電腦、微波爐和LED燈中找到硅。毫不夸張地說，如果沒有硅，我們所知道的現(xiàn)代數(shù)字世界就不可能存在。

什么是硅（Si）？

硅是一種化學(xué)元素，符號為Si。硅位于周期表上的金屬和非金屬之間，是一種類金屬，屬于碳族。硅的原子序數(shù)為14，原子量為28.086u。硅的熔點(diǎn)為1410 °C，沸點(diǎn)為3265 °C。

純硅極易反應(yīng)，不會(huì)以自由狀態(tài)存在于自然界。然而，硅最常以氧化物的形式存在于幾乎所有的巖石，以及黏土、沙子和土壤中。硅化合物在水中、植物中以及整個(gè)大氣中都可以找到，并且通常也存在于動(dòng)物的液體、組織和骨骼中。地殼中氧化硅和硅酸鹽的含量僅次于氧，占地殼的27.7%。

現(xiàn)代人開始使用硅始于1824年，瑞典化學(xué)家約恩斯·雅各布·貝采利烏斯首次成功分離出元素硅，到1854年通過采用電解法才能生產(chǎn)出晶態(tài)硅元素。

硅被用作合金添加劑在19世紀(jì)后期到20世紀(jì)這段時(shí)間里，研究人員發(fā)現(xiàn)硅是一種高效的半導(dǎo)體，并具有絕緣屬性。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極附加到硅上時(shí)，電流在一個(gè)方向上流動(dòng)更加容易。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們開始研發(fā)可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的半導(dǎo)體整流器。

然而，直到1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家莫里斯·塔嫩鮑姆成功制造出第一款硅晶體管。他的工作是基于威廉·朔克利、約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓三位諾貝爾獎(jiǎng)得主的發(fā)現(xiàn)，這三人在1947年首次發(fā)明了晶體管。這些科學(xué)家使用硅作為半導(dǎo)體，標(biāo)志著電子時(shí)代的開始。

1971年，英特爾利用創(chuàng)新的硅柵技術(shù)開發(fā)出了第一款計(jì)算機(jī)微處理器Intel 4004。這項(xiàng)發(fā)明引領(lǐng)了今天連接緊密的數(shù)字世界。

硅是如何制造的？

硅在當(dāng)前市場上幾乎所有的電腦和電子設(shè)備中都使用硅晶片，而生產(chǎn)這些硅晶片需要一個(gè)高度復(fù)雜的制造過程。純硅，也就是多晶硅，是通過首先以電爐反應(yīng)石英和焦炭來制造金屬硅。金屬硅被轉(zhuǎn)化為三氯化硅（TCS），采用流化床反應(yīng)器進(jìn)行。氫氣用來提純?nèi)缓蠓纸釺CS，結(jié)果得到一個(gè)多晶硅的棒。再融化用于生產(chǎn)單硅晶或鑄錠。這些鑄錠被切成晶片，可以用在電力電子元器件中。

必須指出，制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢物，制造純硅過程中使用和生成了許多有毒物質(zhì)。

硅的獨(dú)特屬性為何？

純硅的原子結(jié)構(gòu)使其作為一種半導(dǎo)體非常有效。這就意味著它具有金屬的導(dǎo)體性質(zhì)，也是一個(gè)絕緣體，所以硅既可以傳導(dǎo)也可以阻擋電流。這種能力使硅成為開關(guān)機(jī)制的理想之選。純硅對水、蒸汽和酸有抗性，并可用來形成合金、氧化物和氮化物。

硅何時(shí)會(huì)被替代？

盡管硅被廣泛應(yīng)用，但研究人員正尋找更高效的材料取代它。其中一種可能的替代品是氮化鎵（SiC）。作為一種半導(dǎo)體材料，碳化硅的性能優(yōu)于硅，更具效率和耐力，尤其在功率密度和溫度穩(wěn)定性方面表現(xiàn)卓越。

硅在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用廣泛，幾乎無處不在。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展和新材料的發(fā)現(xiàn)，硅的地位也許會(huì)受到挑戰(zhàn)。但此時(shí)此刻，硅仍然是電子和信息技術(shù)行業(yè)的重要元素，塑造著我們的數(shù)字世界。