一看半金属硅
金属硅是一种灰色和有光泽的半导体金属，用于制造钢，太阳能电池和微芯片。
硅是地壳中仅次于氧的第二大元素，也是宇宙中第八大元素。 事实上，地壳重量的近30％可以归因于硅。
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，它们是常见岩石的主要组分，如石英和砂岩。
半金属（或准金属 ）硅具有金属和非金属的一些性质。
像水一样 - 但与大多数金属不同，硅在液态时收缩并在固化时膨胀。 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。
硅作为半导体及其在电子领域中的应用的关键在于元素的原子结构，其包括四个价电子，其允许硅与其他元素容易地键合。
属性：
- 原子符号：Si
- 原子序数：14
- 元素分类：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年获得第一批隔离硅片.Berzerlius通过在坩埚中加入金属钾（仅在十年前分离出来）和氟硅酸钾来完成此项工作。
结果是非晶硅。
然而，制造晶体硅需要更多时间。 晶体硅的电解样品将不会再制造三十年。
硅的首次商业化使用是硅铁。
继19世纪中期亨利·贝斯默尔炼钢工业的现代化之后， 钢铁冶金和炼钢技术的研究引起了人们的极大兴趣。
到19世纪80年代第一次工业生产硅铁时，硅在改善生铁延展性和脱氧钢中的重要性已得到很好的理解。
在高炉中通过用木炭减少含硅矿石来早期生产硅铁，其导致银色生铁（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 ，而且还使更多的硅铁生产得以实现。
1903年，一家专门从事铁合金生产的集团（Compagnie Generate d'Electrochimie）开始在德国，法国和奥地利运营，并于1907年在美国成立了第一座商业硅工厂。
炼钢并不是19世纪末以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加热硅酸铝与粉状焦炭和偶然生产的碳化硅（SiC）。
三年后，艾奇逊获得了其生产方法的专利，并成立了碳化硅公司（碳化硅当时的通用名称），以制造和销售磨料产品。
到20世纪初，碳化硅的导电性也得到了实现，该化合物在早期的船用无线电中被用作探测器。 1906年GW Pickard获得硅晶体探测器专利。
1907年，第一个发光二极管（LED）通过向碳化硅晶体施加电压而形成。
到20世纪30年代，随着硅化合物和硅酮等新化学产品的发展，硅的使用量也在增加。
过去一个世纪的电子产品的发展也与硅及其独特性质密不可分。
尽管第一批晶体管（现代微芯片的前身）在20世纪40年代以锗为基础的创建 ，但不久之后，硅取代了其准金属表亲作为更耐用的衬底半导体材料。
贝尔实验室和德州仪器于1954年开始商业生产硅基晶体管。
第一个硅集成电路是在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。
鉴于基于硅的半导体技术构成了现代电子和计算的主干，我们将此行业的活动中心称为“硅谷”应该不足为奇。
（关于硅谷和微芯片技术的历史和发展的详细信息，我强烈推荐名为硅谷的美国经验记录片）。
在推出第一批晶体管后不久，贝尔实验室在硅片方面的工作就在1954年实现了第二次重大突破：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量在地球上创造力量的想法是不可能的。 但就在四年之后，1958年，第一颗由硅太阳能电池供电的卫星正在绕地球运转。
到20世纪70年代，太阳能技术的商业应用已经发展到地面应用，例如在海上石油钻井平台和铁路交叉点上为照明提供动力。
在过去的二十年里，太阳能的使用呈指数级增长。 目前，硅基光伏技术占全球太阳能市场的90％左右。
生产：
每年精炼的硅（大约80％）大部分都是用作铁和钢铁生产的硅铁。 取决于冶炼厂的要求，硅铁可以含有15％到90％的硅。
铁和硅的合金通过还原熔炼使用埋入式电弧炉来生产。 富含二氧化硅的矿石和焦炭（冶金煤）等碳源被粉碎并与废铁一起装入炉内。
在温度超过1900 ° C（3450 ° F）时，碳会与矿石中存在的氧反应，形成一氧化碳气体。 与此同时，剩余的铁和硅结合起来制造熔融的硅铁，可以通过攻丝炉底来收集熔融的硅铁。
一旦冷却和硬化，硅铁就可以运输并直接用于钢铁生产。
使用不含铁的相同方法来生产纯度大于99％的冶金级硅。 冶金硅也用于钢铁冶炼，以及铝铸造合金和硅烷化学品的制造。
冶金硅按合金中存在的铁， 铝和钙的杂质水平进行分类。 例如，553硅金属含有少于0.5％的铁和铝，少于0.3％的钙。
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，宁夏荣盛铁合金集团，OM材料集团和Elkem。
每年生产额外的260万公吨冶金硅，或约20％的精炼硅金属。 中国也是这一产量的80％左右。
令很多人感到意外的是，太阳能和电子级别的硅占所有精制硅产量的很小一部分（不到2％）。
要升级到太阳能级金属硅（多晶硅），纯度必须增加到99.9999％（6N）纯硅。 这是通过三种方法之一完成的，最常用的是西门子过程。
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，将三氯硅烷吹在安装在棒末端的高纯硅籽晶上。 当它通过时，来自气体的高纯度硅沉积在种子上。
流化床反应器（FBR）和升级冶金级（UMG）硅技术也用于增强适用于光伏行业的金属与多晶硅。
2013年生产了230,000公吨多晶硅。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工业和某些光伏技术，必须通过切克劳斯基工艺将多晶硅转化为超纯单晶硅。
为此，多晶硅在惰性气氛中在1425 ℃ （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除去，给硅在种子材料上生长留出时间。
所得到的产品是单晶硅金属棒（或晶锭），其纯度可高达99.999999999（11N）。 该棒可根据需要掺杂硼或磷以根据需要调整量子力学性质。
单晶棒可以直接运送给客户，或者切片成晶片，并为特定用户打磨或纹理化。
应用：
尽管每年精炼大约一千万吨硅铁和硅金属，但大多数商业使用的硅实际上是硅矿物的形式，用于制造从水泥，迫击炮和陶瓷到玻璃和聚合物。
如上所述，硅铁是最常用的金属硅形式。 自150年前首次使用以来，硅铁一直是碳钢和不锈钢生产中的重要脱氧剂。 今天，钢铁冶炼仍然是硅铁最大的消费国。
尽管如此，硅铁还有许多超越炼钢的用途。 它是用于生产镁硅铁，用于生产球墨铸铁的球化剂，以及用于炼制高纯镁的皮江过程中的预合金。
硅铁也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合金铸造中的合金剂。 铝硅（Al-Si）汽车零部件比纯铝铸造的零部件轻量且强度更高。 诸如发动机缸体和轮辋之类的汽车部件是一些最常用的铸铝硅部件。
化学工业中将近一半的冶金硅用于制造气相二氧化硅（增稠剂和干燥剂），硅烷（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。 制造一兆瓦太阳能电池组件需要约五吨多晶硅。
目前，多晶硅太阳能技术占全球太阳能产量的一半以上，而单晶硅技术占全球太阳能的35％左右。 总的来说，90％的人类使用的太阳能是通过硅基技术收集的。
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和集成电路的衬底材料，几乎所有的计算机，手机，平板电脑，电视机，收音机和其他现代通信设备都可以找到硅。
据估计，超过三分之一的电子器件含有硅基半导体技术。
最后，硬质合金碳化硅用于各种电子和非电子应用，包括合成首饰，高温半导体，硬陶瓷，切割工具，制动盘，磨料，防弹背心和加热元件。
资料来源：
钢铁合金化与铁合金生产简史。
网址： http ： //www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa，Lauri和Seppo Louhenkilpi。
铁合金在炼钢中的作用。 2013年6月9-13日。第十三届国际铁合金会议。 URL： http : //www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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