金属硅的性质和用途

金属硅是一种灰色且有光泽的半导体金属，用于制造钢铁、太阳能电池和微芯片。硅是地壳中第二丰富的元素（仅次于氧），也是宇宙中第八常见的元素。近 30% 的地壳重量可归因于硅。

原子序数为 14 的元素天然存在于硅酸盐矿物中，包括二氧化硅、长石和云母，它们是石英和砂岩等常见岩石的主要成分。作为半金属（或准金属），硅具有金属和非金属的一些特性。

像水一样——但与大多数金属不同——硅在液态时收缩并在凝固时膨胀。它具有较高的熔点和沸点，结晶时形成金刚石立方晶体结构。硅作为半导体的作用及其在电子产品中的应用的关键是元素的原子结构，其中包括四个价电子，使硅能够轻松地与其他元素结合。

特性

• 原子符号：Si
• 原子序数：14
• 元素类别：准金属
• 密度：2.329g/cm3
• 熔点：2577°F (1414°C)
• 沸点：5909°F (3265°C)
• 莫氏硬度：7

历史

瑞典化学家 Jons Jacob Berzerlius 于 1823 年首次分离出硅。Berzerlius 通过在坩埚中加热金属钾（仅在十年前才分离出来）和氟硅酸钾来实现这一点。结果是非晶硅。

然而，制造晶体硅需要更多时间。再过 30 年，晶体硅的电解样品将无法制造。硅的第一个商业用途是硅铁。

随着亨利·贝塞麦在 19 世纪中期对炼钢工业进行了现代化改造，人们对钢铁冶金和炼钢技术研究产生了浓厚的兴趣。到 1880 年代首次工业化生产硅铁时，人们对硅在提高生铁和脱氧钢的延展性方面的重要性已充分 了解。

早期的硅铁生产是在高炉中通过用木炭还原含硅矿石来完成的，这导致了银色生铁，一种硅含量高达 20% 的硅铁。

20 世纪初，电弧炉的发展不仅提高了钢铁产量，还提高了硅铁产量。1903 年，专门生产铁合金的集团（Compagnie Generate d’Electrochimie）在德国、法国和奥地利开始运营，并于 1907 年在美国成立了第一家商业硅工厂。

炼钢并不是 19 世纪末之前商业化的硅化合物的唯一应用。为了在 1890 年生产人造钻石，爱德华·古德里奇·艾奇逊用焦粉加热硅酸铝，顺便生产了碳化硅 (SiC)。

三年后，艾奇逊为他的生产方法申请了专利，并成立了碳化硅公司（碳化硅是当时碳化硅的通用名称），目的是制造和销售磨料产品。

到 20 世纪初，碳化硅的导电特性也已经实现，该化合物被用作早期船舶无线电的探测器。1906 年，GW Pickard 获得了硅晶体探测器的专利。

1907 年，第一个发光二极管 (LED) 是通过向碳化硅晶体施加电压而制成的。在 1930 年代，随着新化学产品（包括硅烷和有机硅）的开发，硅的使用不断增长。上个世纪电子产品的发展也与硅及其独特的特性密不可分。

虽然 1940 年代第一批晶体管（现代微芯片的前身）的创建依赖于锗，但不久之后，硅取代了它的准金属表亲，成为一种更耐用的衬底半导体材料。贝尔实验室和德州仪器于 1954 年开始商业化生产硅基晶体管。 

第一个硅集成电路是在 1960 年代制造的，到 1970 年代，已经开发出含硅处理器。鉴于基于硅的半导体技术构成了现代电子和计算的支柱，我们将该行业的活动中心称为“硅谷”也就不足为奇了。

（要详细了解硅谷和微芯片技术的历史和发展，我强烈推荐名为《硅谷》的美国经验纪录片）。在推出第一款晶体管后不久，贝尔实验室在硅方面的工作导致了 1954 年的第二个重大突破：第一个硅光伏（太阳能）电池。

在此之前，大多数人认为利用太阳的能量在地球上发电的想法是不可能的。但仅仅四年后，即 1958 年，第一颗由硅太阳能电池驱动的卫星绕地球运行。 

到 1970 年代，太阳能技术的商业应用已经发展到陆地应用，例如为海上石油钻井平台和铁路道口的照明供电。在过去的二十年里，太阳能的使用呈指数级增长。今天，基于硅的光伏技术约占全球太阳能市场的 90%。

生产

每年精炼的大部分硅——大约 80%——被生产为用于 钢铁制造的硅铁。根据冶炼厂的要求，硅铁可以含有 15% 到 90% 的硅。

铁和硅的 合金 是使用矿热电弧炉通过还原熔炼生产的。富含二氧化硅的矿石和焦煤（冶金煤）等碳源被粉碎并与废铁一起装入熔炉。

在超过 1900 ° C (3450 ° F) 的温度下，碳与矿石中存在的氧气发生反应，形成一氧化碳气体。与此同时，剩余的铁和硅结合在一起形成熔融的硅铁，可以通过轻敲炉底来收集。一旦冷却和硬化，硅铁就可以运输并直接用于钢铁制造。

同样的方法，不包含铁，用于生产纯度大于 99% 的冶金级硅。冶金硅也用于炼钢，以及制造铝合金和硅烷化学品。

冶金硅按合金中存在的铁、铝和钙 的杂质水平分类 。例如，553 金属硅中的铁和铝含量低于 0.5%，钙含量低于 0.3%。

全球每年生产约 800 万吨硅铁，其中中国约占 70%。大型生产商包括鄂尔多斯冶金集团、宁夏荣盛铁合金、奥姆材料集团和埃肯。

每年额外生产 260 万吨冶金硅，约占精炼金属硅总量的 20%。中国再次占这一产出的 80% 左右。令许多人感到惊讶的是，太阳能和电子级硅仅占所有精炼硅产量的一小部分（不到 2%）。要升级到太阳能级金属硅（多晶硅），纯度必须提高到 99.9999% (6N) 以上的纯硅。它是通过三种方法之一完成的，最常见的是西门子工艺。

西门子工艺涉及称为三氯硅烷的挥发性气体的化学气相沉积。在 1150 ° C (2102 ° F) 时，将三氯硅烷吹过安装在棒末端的高纯度硅晶种。当它经过时，来自气体的高纯度硅沉积到种子上。

流化床反应器 (FBR) 和升级的冶金级 (UMG) 硅技术也用于增强适用于光伏行业的金属多晶硅。2013 年生产了 23 万吨多晶硅。主要生产商包括 GCL Poly、Wacker-Chemie 和 OCI。

最后，为了使电子级硅适用于半导体行业和某些光伏技术，多晶硅必须通过 Czochralski 工艺转化为超纯单晶硅。为此，多晶硅在惰性气氛中于 1425 ° C (2597 ° F) 的坩埚中熔化。然后将安装在棒上的晶种浸入熔融金属中并缓慢旋转并取出，让硅有时间在晶种材料上生长。

所得产品是单晶硅金属棒（或晶锭），纯度可高达 99.999999999 (11N)%。该棒可以根据需要掺杂硼或磷，以根据需要调整量子力学性能。单晶棒可以按原样运送给客户，也可以切成晶片并为特定用户抛光或纹理化。

应用

虽然每年大约有 1000 万吨硅铁和金属硅被提炼，但商业上使用的大部分硅实际上是以硅矿物的形式出现的，它们用于制造从水泥、砂浆和陶瓷到玻璃和聚合物。

如前所述，硅铁是最常用的金属硅形式。自大约 150 年前首次使用以来，硅铁一直是碳和 不锈钢生产中的重要脱氧剂。今天，钢铁冶炼仍然是硅铁的最大消费者。

不过，除了炼钢之外，硅铁还有许多用途。它是一种用于生产硅铁镁的预合金  ，一种用于生产球墨铸铁的球化剂，以及用于精炼高纯度镁的 Pidgeon 工艺。硅铁还可用于制造耐热和 耐腐蚀 的铁硅合金以及用于制造电动机和变压器铁芯的硅钢。

冶金硅可用于炼钢以及铝铸件中的合金剂。铝硅 (Al-Si) 汽车零件比纯铝铸造的零件更轻且更坚固。发动机缸体和轮胎轮辋等汽车零件是一些最常见的铸铝硅零件。

化学工业使用近一半的冶金硅来制造气相二氧化硅（一种增稠剂和干燥剂）、硅烷（一种偶联剂）和有机硅（密封剂、粘合剂和润滑剂）。光伏级多晶硅主要用于制造多晶硅太阳能电池。制造 1 兆瓦的太阳能模块需要大约 5 吨多晶硅。

目前，多晶硅太阳能技术占全球太阳能产量的一半以上，而单晶硅技术贡献了约 35%。总的来说，人类使用的太阳能中有 90% 是通过硅技术收集的。

单晶硅也是现代电子产品中的关键半导体材料。作为用于生产场效应晶体管 (FET)、LED 和集成电路的基板材料，硅几乎可以在所有计算机、移动电话、平板电脑、电视、收音机和其他现代通信设备中找到。据估计，超过三分之一的电子设备包含硅基半导体技术。

最后，硬质合金碳化硅用于各种电子和非电子应用，包括合成珠宝、高温半导体、硬质陶瓷、切削工具、制动盘、磨料、防弹背心和加热元件。