硅

硅是一种化学元素，符号为 Si，原子序数为 14。它位于元素周期表的第14族，通常被归类为类金属。单质硅是具有蓝灰色金属光泽的固体，也是一种重要的半导体。在自然界中，硅主要以含氧化合物的形式存在，而非以游离单质的形式存在。(periodic-table.rsc.org)

原子性质与物理性质

中性硅原子含有14个电子，电子排布为 [Ne] 3s² 3p²。它的最外层有四个电子，因此能够形成四个化学键。普通晶体硅的部分性质如下表所示。(periodic-table.rsc.org)

原子量区间反映了自然界中同位素组成的变化；其他数值则对应特定形态和条件，并不适用于所有可能的硅样品。(periodic-table.rsc.org)

在金刚石型立方结构中，每个原子都有四个最近邻原子，呈四面体排列。这种延伸的共价键网络构成了晶体硅的结构基础。硅的晶格间距和原子数密度可以得到精确测量，因此高品质硅晶体可用于精密测量。(ioffe.ru)

天然硅有三种稳定同位素：硅-28、硅-29和硅-30。它们具有代表性的丰度分别约为92.22%、4.69%和3.09%。三者都含有14个质子，但中子数不同。(pml.nist.gov)

自然分布与重要化合物

按质量计算，硅约占地壳的28%，是地壳中含量仅次于氧的第二大元素。硅在自然界中的主要存在形式是二氧化硅和硅酸盐矿物。二氧化硅又称硅石，化学式为 SiO₂；石英是其最常见的天然晶体形态。硅酸盐矿物包括长石和云母，是许多岩石的主要组成成分。(periodic-table.rsc.org)

以下三个英文术语外观相近，但指的是不同物质：

• **Silicon（硅）**指硅这一化学元素或单质硅材料。
• **Silica（二氧化硅）**是硅与氧形成的化合物。
• **Silicones（有机硅聚合物）**是一类带有有机基团的硅—氧聚合物，用于油类、弹性体和密封剂。

二氧化硅和硅酸盐材料在玻璃、陶瓷、水泥及建筑领域具有重要用途；有机硅聚合物在化学性质和功能上都不同于单质硅和矿物形式的二氧化硅。(periodic-table.rsc.org)

碳化硅（SiC）是另一种重要的硅化合物。它可用作磨料，本身也是半导体。其电子性质与单质硅有显著差异：例如，4H晶型在室温下的带隙约为3.23 eV，比硅的带隙宽得多。(periodic-table.rsc.org)

半导体特性

硅的电子特性取决于其电子能带结构。电子必须获得足够的能量，才能跨越带隙，从价带进入导带，并在价带中留下一个电子空穴。随后，电子和空穴都可以传导电流。随着温度升高，带隙减小，而本征载流子浓度则显著增大。(ioffe.ru)

通过半导体掺杂，即引入受控数量的杂质，可以调节硅的电学性质。磷等施主杂质可形成n型材料，其中电子是多数载流子；硼等受主杂质可形成p型材料，其中空穴是多数载流子。不同掺杂区域的布局是硅电子器件的关键。(periodic-table.rsc.org)

硅具有间接带隙：其价带顶和导带底位于不同的晶体动量位置。因此，带隙附近的跃迁通常不仅涉及光，还涉及晶格振动。这使普通硅的发光效率相对较低，不过它仍是光伏器件中有效的吸光材料。(ioffe.ru)

硅技术一个特别有用的特点，是硅与绝缘材料二氧化硅具有良好的兼容性。传统的金属氧化物半导体场效应晶体管在栅极与半导体之间使用氧化物电介质；栅极电压控制硅沟道的导电状态。绝缘体上硅器件和三维晶体管结构采用不同的几何构型，以改善电气隔离或静电控制能力。(tsapps.nist.gov)

生产与材料形态

工业生产硅首先在电炉中用碳还原二氧化硅。所得材料若要用于电子器件，还需要进一步提纯。高纯硅可通过经纯化的三氯硅烷等挥发性前驱体，经沉积和再结晶制得。因此，普通工业硅与半导体级硅的主要差别在于杂质控制和后续加工。(periodic-table.rsc.org)

制造晶体硅光伏器件时，先将提纯的硅熔化，再生长成硅锭。单晶硅锭可从熔体中提拉生长，然后用金刚石线锯切成薄硅片。硅片还需进一步加工，以形成电活性区域、表面涂层和电接触。(energy.gov)

器件中使用的硅有几种材料形态：

• 单晶硅具有连续的晶格，广泛用于以硅片为基础的器件。
• 多晶硅由多个晶粒组成。
• 非晶硅缺乏长程晶体有序结构，用于薄膜光伏器件。

这些形态不能相互替代：晶体结构、缺陷和制造方法都会影响电荷输运及器件性能。(energy.gov)

应用与局限

高纯硅用于制造晶体管和集成电路。通过掺杂、绝缘层和器件几何结构，同一种基础材料可以实现不同的电学功能。硅在电子领域的重要性取决于这种可控性，而不只是较高的导电能力。(periodic-table.rsc.org)

硅也是太阳能电池中使用最广泛的半导体吸光材料。吸收的光产生电荷载流子，器件将其收集起来，形成电流。晶体硅光伏组件将加工后的电池片与电气互连、保护玻璃、聚合物层和支撑框架组合在一起。转换性能取决于光吸收、载流子收集、表面处理以及器件内部的损耗。(energy.gov)

在电子领域之外，硅还用于铝硅合金和硅铁，包括炼钢脱氧等冶金用途。这些用途不需要半导体器件所要求的极高纯度。(periodic-table.rsc.org)

同位素富集硅正被研究用于量子计算机。硅-28的核自旋为零，而硅-29的核自旋为½。降低硅-29的含量，可以减弱干扰自旋量子比特的相互作用；不过，同位素富集与去除化学杂质是两回事。(nist.gov)

历史

硅的英文名称源于拉丁语 silex 或 silicis，意为燧石。通常认为，约恩斯·雅各布·贝采利乌斯于1824年分离出硅并确定了其性质。亨利·圣克莱尔·德维尔于1854年制得晶体硅。这些进展使人们得以将硅元素与早已熟知的含硅矿物化合物区分开来。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)

生物体中的硅与职业危害

硅在形成二氧化硅结构的生物体中具有生物学作用。例如，硅藻需要硅来构建其蛋白石质外壳，并以溶解的硅酸 Si(OH)₄ 的形式从水中吸收硅。硅藻的吸收过程也可能改变水中溶解硅的同位素组成。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)

与含硅材料有关、证据最充分的职业危害，是吸入可吸入性结晶二氧化硅，而不是接触单质硅。切割、研磨或钻凿含二氧化硅的石材及建筑材料，可能产生足够细小、能够进入肺部深处的颗粒。这类暴露可引起矽肺，并与肺癌等其他严重疾病有关。这些风险取决于具体化合物、颗粒大小和暴露条件，不能仅凭材料含有硅就作出判断。(cdc.gov)

参考来源

1. Silicon - Element information, properties and uses | Periodic Tableperiodic-table.rsc.org
2. Redefining the Molenist.gov
3. Atomic Weights and Isotopic Compositions for Siliconpml.nist.gov
4. Silicon | Si (Element) - PubChempubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Crystalline Silicon Photovoltaics Researchenergy.gov
6. Solar Photovoltaic Cell Basicsenergy.gov
7. Review article on silicon transistors and emerging technologiestsapps.nist.gov
8. Enriched Silicon and Devices for Quantum Informationnist.gov
9. WebElements Periodic Table » Silicon » historical informationwinter.group.shef.ac.uk