硅

硅的化学元素符号为Si，原子序数为14。它是一种硬而脆的结晶固体，具有蓝灰色的金属光泽，是四价准金属和半导体。它是元素周期表中第14组的成员：碳在其上方；锗，锡和铅在其下方。它相对没有反应。由于其对氧气的高度化学亲和力，直到1823年，JönsJakob Berzelius才首次能够制备氧气并以纯净的形式对其进行表征。它的熔点和沸点分别为1414°C和3265°C，是所有准金属和非金属中第二高的，仅次于硼。以质量计，硅是宇宙中第八种最常见的元素，但很少以纯元素的形式出现在地壳中。它以各种形式的二氧化硅（硅酸盐）或硅酸盐广泛分布在尘埃，沙粒，类行星和行星中。地壳中90％以上是硅酸盐矿物，使硅成为地壳中含量第二高的元素（按质量计约为28％），仅次于氧气。

戴维在1800年认为二氧化硅是一种化合物而不是元素。盖·卢萨克（Gay Lussac）和德纳德（Thenard）在1809年通过使四氟化硅通过加热的钾，获得了非常不纯的非晶硅。 Berzelius在1823年修正了这一发现，用同样的方法制备了高纯度的元素硅。 他还通过将氟硅酸钾与金属钾加热来获得硅。 德维尔1854年通过电解含10％硅和少量铝的不纯氯化钠铝的熔融混合物进行电解生产了晶体硅。

硅存在于太阳和恒星中，并且是一类称为“陨石”的陨石的主要成分。它也是钛铁矿的成分，钛铁矿是一种来源不确定的天然玻璃。天然硅包含三种同位素。认识到其他二十四个放射性同位素。硅占地壳重量的25.7％，是仅次于氧气的第二大丰富元素。硅在自然界中并不是免费的，而是主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。沙子，石英，水晶，紫水晶，玛瑙，fl石，碧玉和蛋白石是出现氧化物的一些形式。花岗岩，角闪石，石棉，长石，粘土云母等只是众多硅酸盐矿物中的少数。商业上通过使用碳电极在电炉中加热二氧化硅和碳来制备硅。可以使用其他几种方法来准备元素。非晶硅可以制成棕色粉末，可以很容易地熔化或汽化。结晶硅具有金属光泽和浅灰色。 以二氧化硅（SiO2）形式存在的硅是地球地壳中含量最丰富的化合物。作为一种元素，硅在地球上的浓度仅次于氧气，但在整个宇宙中仅排第七。即使这样，硅仍被用作标准（Si = 1）来估计宇宙中所有其他元素的丰度。

1.硅主要用作制多晶硅、单晶硅、硅铝合金及硅钢合金的化合物；
2.用于制合金、有机硅化合物和四氯化硅等，是一种极重要的半导体材料；
3.用于制晶体管、整流器和太阳能电池，还用于制高硅铸铁、硅钢、各种有机硅化合物等；
4.是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等；
5.用于制造半导体分立器件、功率器件、集成电路和外延衬底等。

在这个电子时代，元素硅具有一些最重要的应用。主要应用之一是计算机芯片。晶体硅的单晶用于固态或半导体器件。高纯硅中掺有硼，磷，砷和镓等微量元素，是最好的半导体之一。它们用于晶体管，功率整流器，二极管和太阳能电池。硅整流器最有效地将交流电转换为直流电。氢化非晶硅将太阳能转化为电能。面霜中使用了有机硅（挥发性）来增强产品的保护能力，以防止皮肤水分蒸发。有机硅聚醚主要用于水性皮肤护理配方中，并具有改善的柔软度，光泽度和手感。硅与铁，钢，铜，铝和青铜混合时，也可用作合金。当与钢结合使用时，它可以制成出色的弹簧，适用于各种类型的用途，包括汽车。

商业上通过使用碳电极在电炉中将二氧化硅与碳（焦炭）一起加热来生产单质硅：

SiO2 + C→Si + CO2
所得产物的纯度约为96-98％。重复浸出形成约99.7％的纯化产物。或者，将低级硅转化为其卤化物或卤代硅烷，然后用高纯度还原剂将其还原。可以通过几种方法来制造用于半导体应用的超纯硅。这些过程包括用高纯锌还原四氯化硅：

SiCl4 + 2Zn→Si + 2ZnCl2

或使用硅丝在1,150°C的温度下用氢还原三氯硅烷：

SiHCl3 + H2→Si + 3HCl

或将硅烷或四碘化硅加热至高温：

SiH4→Si + 2H2

SiI4→Si + 2I2

或通过用钠还原四氟化硅：

SiF4 + 4NaF→Si + 4 NaF

三氯氢硅对人体有毒，其蒸气有窒息性臭味，强烈刺激呼吸道黏膜；其水解产物氯化氢、二氧化硅对肺有刺激，长期吸人可导致贫血。三氯氢硅最高容许浓度为1mg／m³。
生产设备要密闭，车间通风应良好。生产人员工作时要佩戴防毒口罩，密闭眼镜，穿工作服等劳动保护用品，以防止呼吸器官、眼睛和皮肤接触。中毒者应立即转移到新鲜空气中进行人工呼吸、输氧，注射葡萄糖及强心剂，并迅速送医院治疗。 具有灰色金属光泽的晶体。 溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。 主要用作制多晶硅、单晶硅、硅铝合金及硅钢合金的化合物。 工业生产有坩埚直拉法、悬浮区熔法、中子嬗变掺杂法。
坩埚直拉法拉晶前先将设备各部件、合金石英坩埚、硅多晶和籽晶进行清洁处理。
将硅多晶破碎除去石墨，经丙酮去油后，进行化学清洗，用无离子水洗至中性，再经超声波清洗，红外干燥，配料及掺杂，加入单晶炉的合金石英坩埚中，再经抽真空、熔化，在流通的氩气氛下，人工引晶放肩和收尾。晶体的等径生长过程中，需根据情况适当调节功率，使其获得直径均匀的产品，经检测、称量，制得硅单晶成品。
悬浮区熔法先将设备和原料清洁处理，把硅多晶切断，磨后用丙酮去油，进行化学清洗，用无离子水洗至中性，再经超声波清洗，红外干燥，配料和掺杂，装炉，抽真空或充氩气。在氩气下高频加热进行区熔提纯单晶。预热、引晶、放肩、等径、收尾等过程，由人工控制。再经检测、称量，制得硅单晶成品。 三氯氢硅法将干燥的硅粉加入合成炉中，与通人的干燥氯化氢气体在280～330℃有氯化亚铜催化剂存在下进行氯化反应，反应气体经旋风分离除去杂质，再用氯化钙冷冻盐水将气态三氯氢硅冷凝成液体，经粗馏塔蒸馏和冷凝，除去高沸物和低沸物，再经精馏塔蒸馏和冷凝，得到精制三氯氢硅液体。纯度达到7个“9”以上、杂质含量小于1×10^-7，硼要求在0.5×10^-9以下。提纯后的三氯氢硅送人不锈钢制的还原炉内，用超纯氢气作还原剂，在1050～1100℃还原成硅，并以硅芯棒为载体，沉积而得多晶硅成品。其
H2+C12→2HCl
S+3HCl→SiHC13+H2
SiHCl3+H2→Si+3HCl