硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体（见元素硅大晶体图），它的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。晶体硅还有一个重要的性质，就是它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
我们知道，碳在常温下化学性质很稳定，在高温时能跟氧气等物质反应。硅作为碳的同族元素，它的化学性质又怎样呢？
讨论2 根据所学的碳以及元素周期律的知识，归纳出一些硅的化学性质。
硅元素原子的最外电子层的电子数目与碳元素原子的最外电子层中的电子数目相同，都有4个电子，所以，硅的许多化学性质跟碳相似。在常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硫酸、硝酸等起反应。在加热条件下，硅能跟一些非金属反应。例如，加热时，研细的硅能在氧气中燃烧，生成二氧化硅并放出大量的热。
Si＋O2 SiO2
硅是一种重要的非金属单质，它的用途非常广泛。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。此外，硅的合金用途也很广，如含硅4％（质量分数）的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器铁芯；含硅15％（质量分数）左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设备等。
由于自然界没有单质硅存在，因此，我们使用的硅,都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅。
SiO2＋2C Si＋2CO↑
将粗硅提纯后，可以得到用作半导体材料的高纯硅。
二．二氧化硅
二氧化硅是硅的氧化物，它广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石。天然二氧化硅也叫硅石，是一种坚硬难熔的固体。
二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应，但能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。例如，
SiO2＋CaO CaSiO3
SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
讨论3 为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞（玻璃中含有SiO2）？
二氧化硅是酸性氧化物，它对应的水化物是硅酸（H2SiO3）。硅酸不能由二氧化硅直接制得，只能通过可溶性硅酸盐与酸反应制取。硅酸不溶于水,是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱。
二氧化硅的用途很广，目前已被使用的高性能通讯材料光导纤维的主要原料就是二氧化硅。
石英的主要成分也是二氧化硅，较纯净的石英可用来制造石英玻璃，我们在实验室中使用的一些耐高温的化学仪器，就是用石英玻璃制成的。利用石英制造的石英电子表、石英钟等也非常受人们的喜爱。
透明的石英晶体，就是我们常说的水晶（如下图）。水晶常用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器，也用来制成高级工艺品和眼镜片等。
三．硅酸盐
硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的5％。硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。例如，
硅酸钠 Na2SiO3(Na2O·SiO2)
高岭石 Al2(Si2O5)(OH)4(Al2O3·2SiO2·2H2O)
硅酸钠是一种最常见的硅酸盐，它的水溶液俗称水玻璃。水玻璃是无色粘稠的液体，是一种矿物胶，可用作建筑上的粘合剂。硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，可用作防腐剂，木材、纺织品等浸过水玻璃后，不但能防腐而且不易着火。
粘土的主要成分是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土。粘土是制造陶瓷器的主要原料。
阅读 二氧化硅粉尘的危害
二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害。如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，因此硅肺旧称为矽肺）。硅肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量，以及与人的接触时间长短等。长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。因此，在这些粉尘较多的工作场所，应采取严格的劳动保护措施，采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体健康。
家庭小实验
在水槽或大玻璃容器的底部铺一层洗净的细沙（约1 cm厚），再放置一块形状像假山的石头或炉渣。向容器中注入过滤后的质量分数为 20％的
Na2SiO3溶液(约占容器体积的3/4)，用玻璃棒将底部的沙子摊平。静置，待液面停止晃动后，用镊子分别将各种盐的固体(红豆粒大小)，如CuSO4、
MnCl2、CaCl2、CoCl2（氯化钴）等，投入槽底细沙的不同位置。不久，可以看到，在投入了盐的地方，有晶体慢慢从水底的细沙中向上“生长”。几小时后，就能长成各种颜色的“水草”，形成美丽的“水中花园”。
（见上图）
第二节 硅酸盐工业简介
在我们的日常生活中，经常接触到一些硅酸盐材料，如使用的碗碟、居住的房屋等。硅酸盐材料是以含硅物质为原料经加热制成的。这一制造工业叫做硅酸盐工业，如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业。硅酸盐工业在国民经济中占有很重要的地位。
1．水泥
水泥是非常重要的建筑材料，高楼大厦和各种建筑工程都离不开它。水泥具有水硬性，跟水掺和搅拌后很容易凝固变硬，由于水泥具有这一优良特性，因此被用作建筑材料。又由于它在水中也能硬化，因此也是水下工程必不可少的材料。
以粘土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏，并研成细粉就得到普通水泥。
普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙、（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。
水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆，是建筑用粘合剂，可把砖、石等粘结起来。
水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构，这就是我们常说的钢筋混凝土结构。钢筋混凝土的强度大，常用来建造高楼大厦、桥梁等高大的建筑。
解放前，我国使用的水泥主要依赖进口。新中国成立以后，水泥工业有了迅速的发展，目前，我国的水泥产量已跃居世界前列。
资料 水泥的标号
水泥在空气中硬固后，具有抗压强度，以kg／cm2来计算。把水泥与沙子以1∶2．5的比率混合制成砂浆试样，此试样在水中养护28天时所具有的抗压强度数值，被称为水泥的标号。例如，1份水泥与2．5份沙子混合制成的砂浆试样，在水中硬固28天后，测得其抗压强度为425 kg／cm2，此水泥的标号就为425。水泥的标号越大，其性能越好。常用的硅酸盐水泥有325号、425号、525号和625号，一些高强度水泥，其标号可达1000以上。
2．玻璃
玻璃是我们每天都可以见到的一种硅酸盐制品。
窗玻璃就是最常见的玻璃，这种玻璃被称为普通玻璃。制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英。生产时，把原料粉碎，按适当的比率混合后，放入玻璃窑中加强热。原料熔融后发生了较复杂的物理变化和化学变化，其中的主要反应是：
Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑
在制造玻璃的过程中，如果加入某些金属氧化物，还可以制成有色玻璃。例如，加入Co2O3（氧化钴）后的玻璃呈蓝色，加入Cu2O后的玻璃呈红色。我们看到的普通玻璃，一般都呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。
玻璃的种类很多，除上面所介绍的普通玻璃外，还有其他一些玻璃，如石英玻璃、光学玻璃，等等。
（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（Ge），温度每升高10度，其电阻率就会减少到原来的一半。（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。
近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管，它通过电流时能够发光，把电能直接转成光能。目前已制作出发黄，绿，红，蓝几色的发光二极管，以及发出不可见光红外线的发光二极管。
另一种常见的光电转换器件是硅光电池，它可以把光能直接转换成电能，是一种方便的而清洁的能源。
（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此，人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件
半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。
1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。
2． 当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。
3． 当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。
由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。
P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。
一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。
图1
在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。
例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）。N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。
如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”。正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”。很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领。
图2a 图2b
反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。这时PN结的电阻很大（大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，----这表明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。
上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。
晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。
图3
利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。
PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”（如图4所示）。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因
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