金属硅是一种灰色、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的元素自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普通岩石的主要成分。作为半金属（或非金属），硅具有金属和非金属的某些特性。

与水一样，但与大多数金属不同，硅在液态时收缩，在固化时膨胀。它具有较高的熔点和沸点，结晶后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学中的应用的关键是元素的原子结构，它包括四个价电子，使硅能够很容易地与其他元素结合。

性质

• 原子符号：Si
• 原子序数：14
• 元素类别：类金属
• 密度：2.329g/cm3
• 熔点：2577华氏度（1414摄氏度）
• 沸点：5909华氏度（3265摄氏度）
• 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（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的时间。晶体硅的电解样品要再过三十年才能制成。硅的首次商业化应用是以硅铁的形式出现的。

随着19世纪中叶亨利·贝塞默（Henry Bessemer）炼钢工业的现代化，人们对钢铁冶金和炼钢技术的研究产生了极大的兴趣。到19世纪80年代第一次工业化生产硅铁时，人们已经相当清楚硅在提高生铁和脱氧钢延展性方面的重要性。

硅铁的早期生产是在高炉中进行的，通过用木炭还原含硅矿石，得到银色生铁，一种硅含量高达20%的硅铁。

20世纪初电弧炉的发展不仅使钢铁产量增加，而且使硅铁产量增加。1903年，一家专门生产铁合金的集团（Compagnie Generate d'Electrochimie）开始在德国、法国和奥地利运营，1907年，美国第一家商业硅工厂成立。

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（Edward Goodrich Acheson）用焦炭粉加热硅酸铝，顺便生产了碳化硅（SiC）。

三年后，艾奇逊为其生产方法申请了专利，并成立了Carborundum公司（Carborundum是当时碳化硅的通用名称），以制造和销售研磨产品。

到了20世纪初，碳化硅的导电性能也已经实现，这种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产生的。20世纪30年代，硅的使用随着包括硅烷和硅酮在内的新化学产品的开发而增长。在过去的一个世纪里，电子技术的发展也与硅及其独特的性能密不可分。

20世纪40年代，第一批晶体管——现代微芯片的前身——的诞生依赖于锗，但不久之后，硅就取代了它的类金属同类，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公司于1954年开始商业化生产硅基晶体管。

第一批硅集成电路是在20世纪60年代制造的，到了70年代，含硅处理器已经开发出来。鉴于以硅为基础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）。在第一批晶体管问世后不久，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能在地球上发电的想法是不可能的。但仅仅四年后，1958年，第一颗由硅太阳能电池驱动的卫星绕地球运行。

到了20世纪70年代，太阳能技术的商业应用已经发展到陆地应用，如为海上石油钻井平台和铁路道口提供照明。在过去二十年中，太阳能的使用呈指数级增长。如今，硅基光伏技术占全球太阳能市场的90%左右。

生产

每年精炼的大部分硅（约80%）作为硅铁生产，用于炼铁和炼钢。根据冶炼厂的要求，硅铁可含有15%至90%的硅。

铁和硅的合金是用矿热电炉通过还原熔炼生产的。富含硅的矿石和碳源，如焦煤（冶金煤）被粉碎并与废铁一起装入炉中。

当温度超过1900°C（3450°F）时，碳与矿石中的氧发生反应，形成一氧化碳气体。同时，剩余的铁和硅结合形成熔融的硅铁，可通过出铁炉底部收集。一旦冷却和硬化，硅铁就可以装运并直接用于钢铁制造。

同样的方法，不含铁，用于生产纯度大于99%的冶金级硅。冶金硅还用于炼钢，以及铝铸造合金和硅烷化学品的制造。

冶金硅根据合金中存在的铁、铝和钙的杂质水平进行分类。例如，553硅金属中每种铁和铝的含量不到0.5%，钙的含量不到0.3%。

全球每年生产约800万公吨硅铁，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、OM材料集团和埃尔肯。

每年还生产260万公吨冶金硅，约占精炼硅金属总量的20%。中国同样占了这一产出的80%左右。令许多人惊讶的是，太阳能和电子级硅只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）纯硅以上。这是通过三种方法之一完成的，最常见的是西门子工艺。

西门子工艺涉及一种称为三氯氢硅的挥发性气体的化学气相沉积。在1150°C（2102°F）下，将三氯氢硅吹入安装在棒端的高纯度硅晶种上。当它经过时，气体中的高纯度硅沉积在晶种上。

流化床反应器（FBR）和升级的冶金级（UMG）硅技术也用于提高适合光伏产业的金属到多晶硅的转化率。2013年生产了23万公吨多晶硅。领先的生产商包括GCL Poly、Wacker Chemie和OCI。

最后，为了使电子级硅适合半导体工业和某些光伏技术，多晶硅必须通过提拉法转化为超纯单晶硅。为此，多晶硅在1425°C（2597°F）的坩埚中在惰性气氛中熔化。然后将安装在棒上的籽晶浸入熔融金属中，缓慢旋转并移除，给硅在籽晶材料上生长的时间。

由此产生的产品是一个单晶硅金属棒（或球），纯度高达99.99999999（11N）。该杆可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，也可以切片成晶圆，并为特定用户抛光或加工。

应用

尽管每年约有1000万公吨的硅铁和金属硅被提炼出来，但商业上使用的大部分硅实际上是以硅矿物的形式存在的，硅矿物用于制造从水泥、砂浆和陶瓷到玻璃和聚合物的各种产品。

如前所述，硅铁是金属硅最常用的形式。自150年前首次使用以来，硅铁一直是生产碳钢和不锈钢的重要脱氧剂。今天，钢铁冶炼仍然是硅铁的最大消费国。

不过，硅铁除了炼钢之外还有许多用途。它是镁硅铁生产中的一种预合金，硅铁是一种用于生产球墨铸铁的球化剂，在皮江精炼高纯度镁的过程中也是如此。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，也可作为铝铸件的合金剂。铝硅（Al-Si）汽车部件比纯铝铸造的部件重量轻、强度高。发动机缸体和轮胎轮辋等汽车零件是一些最常见的铸造铝硅零件。

近一半的冶金硅被化学工业用于制造气相二氧化硅（增稠剂和干燥剂）、硅烷（偶联剂）和硅酮（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1兆瓦的太阳能组件需要大约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，而单晶硅技术约占35%。总的来说，人类使用的太阳能90%是通过硅基技术收集的。

单晶硅也是现代电子学中的一种关键半导体材料。作为用于生产场效应晶体管（FET）、LED和集成电路的衬底材料，硅几乎可以在所有计算机、手机、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采用硅基半导体技术。

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。

资料来源：

钢合金化和铁合金生产的简史。网址：http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdfHolappa劳里和塞波·劳恩基尔皮。

铁合金在炼钢中的作用。2013年6月9日至13日。第十三届国际铁合金大会。网址：http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf