「ケイ素」の版間の差分

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{{redirect|シリコン|ケイ素を構造に含む樹脂|シリコーン}}
{| class="wikitable" style="width: 20em; float: right; margin-left: 0.5em; background: white; font-size: 95%;"
|- style="background-color: white;"
| colspan="2" style="text-align: center;" |
{|
| || style="border-style: none; text-align: center;" | [[アルミニウム]] - '''ケイ素''' - [[リン]]
|-
| style="border-style: none; text-align: center; vertical-align: middle;" | [[炭素|C]]<br/>'''Si'''<br/>[[ゲルマニウム|Ge]]
| style="border-style: none;" | [[画像ファイル:Si-TableImage.png|250px]]<div style="text-align: right; font-size: small;"><small>[[周期表]]</small></div>
|}
|-
! colspan="2" style="background: #cccc99;" | 一般特性
|-
| style="width: 43%;" | [[元素の名前順一覧|名称]], [[元素の記号順一覧|記号]], [[元素の番号順一覧|番号]] || ケイ素, Si, 14
|-
| [[元素の分類|分類]] || [[半金属]]
| [[元素の族|族]], [[元素の周期|周期]], [[元素のブロック|ブロック]] || [[第14族元素|14 (IVB)]], [[第3周期元素|3]] , [[pブロック元素|p]]
|-
| [[密度]], [[モース硬度|硬度]] || 2330 kg·m<small><sup>−3</sup></small>, 6.5
|-
| 単体の[[色]] || style="text-align: center;" | 暗灰色<br/>[[Imageファイル:Silicon wafer with mirror finish.jpg|120px|ケイ素]]
|-
! colspan="2" style="background: #cccc99;" | 原子特性
|-
| [[原子量]] || 28.0855 [[原子質量単位|u]]
| [[結晶構造]] || [[面心立方構造]]
|-
! colspan="2" style="background-color: #cccc99;" | 物理特性
|-
| [[相]] || [[固体]] ([[反磁性]])
| [[沸点]] || 3538 K<br/>(3265 ℃, 5909 °F)
|-
| [[モル体積]] || 12.06 &times; 10<small><sup>−3</sup></small> m<small><sup>3</sup></small>·mol<small><sup>−1</sup></small>
|-
| [[気化熱]] || 384.22 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| [[融解熱]] || 50.55 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| [[蒸気圧]] || 4.77 [[パスカル|Pa]] (1687 K)
| [[音速|音の伝わる速さ]] || no data
|-
! colspan="2" style="background: #cccc99;" | その他
|-
| [[クラーク数]] || 25.8 [[パーセント|%]]
| [[電気陰性度]] || 1.90 ([[ライナス・ポーリング|ポーリング]])
|-
| [[比熱容量]] || 700 J·kg<small><sup>−1</sup></small>·K<small><sup>−1</sup></small>
|-
| [[導電率]] || 2.52 &times; 10<small><sup>-4</sup></small> m<sup>−1</sup>·[[オーム|Ω]]<sup>−1</sup>
|-
| [[熱伝導率]] || 148 W·m<small><sup>−1</sup></small>·K<small><sup>−1</sup></small>
|-
| rowspan="10" | [[イオン化エネルギー]] || 第1: 786.5 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第2: 1577.1 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第3: 3231.6 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第4: 4355.5 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第5: 16091 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第6: 19805 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第7: 23780 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第8: 29287 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第9: 33878 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
| 第10: 38726 kJ·mol<small><sup>−1</sup>
|-
! colspan="2" style="background: #cccc99;" | (比較的)安定同位体
|-
| colspan="2" |
{| class="wikitable" style="width: 98%; margin: 0; background: white;"
|- style="font-size: 85%; text-align: center; font-weight: bold;"
| [[同位体]] || [[天然存在比|NA]] || [[半減期]] || [[崩壊モード|DM]] || [[崩壊エネルギー|DE]]/[[メガ|M]][[電子ボルト|eV]] || [[崩壊生成物|DP]]
|-
|}
|-
! colspan="2" style="background: #cccc99; font-size: 85%;" | 注記がない限り[[国際単位系]]使用及び[[標準状態]]下。
|}
'''ケイ素'''(珪素、硅素、けいそ、[[ラテン語|羅]]''Silicium''、[[英語|英]]''Silicon'')は原子番号14の[[元素]]である。元素記号は'''Si'''。[[地球]]の主要な構成元素のひとつ。[[半導体]]部品は非常に重要な用途である。
 
== 用途 ==
[[画像ファイル:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|90px|left|ケイ素の[[単結晶]]]]
=== 赤外光学系 ===
ケイ素は赤外域(波長 2 から 6 μm)で高い透過率があり、レンズや窓の素材に用いられる。波長 4 μm の屈折率は 3.4255<ref>{{cite book |title=ユーザーエンジニアのための光学入門 |author=岸川利郎 |publisher=オプトロニクス |year=1990 |isbn=4-900474-30-4}}</ref>。
; 金属グレード(MG)シリコン
: ケイ素の単体はカーボン電極を使用したアーク炉を用いて、二酸化ケイ素を還元して得る。この際、精製されたケイ素は純度99%程度のものである。
:: {{Indent2|SiO<sub>2</sub> + C → Si + CO<sub>2</sub>}}
:: {{Indent2|SiO<sub>2</sub> + 2C → Si + 2CO}}
 
; 高純度ポリシリコン
: さらに純度を高めるには、[[塩素]]と反応させ[[四塩化ケイ素]]とし(ガス化)、これを[[蒸留]]して純度の高い製品を得る。
:: {{Indent2|Si + 2Cl<sub>2</sub> → SiCl<sub>4</sub>}}
:: {{Indent2|SiCl<sub>4</sub> + 2 H<sub>2</sub> → Si + 4 HCl}}
 
; 半導体グレード(SEG)シリコン
: [[集積回路]]など[[半導体素子]]に使用する超高純度のケイ素(純度[[イレブンナイン|11N]]以上)は、上記の高純度シリコンからさらにFZ(フローティングゾーン)法などの[[ゾーンメルト法|ゾーンメルティング]]や [[チョクラルスキー法|Cz(チョクラルスキー)法]]などの単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される。ゾーンメルト法では融解帯に不純物が濃縮する過程を繰り返すことで高純度のケイ素を得る。Cz 法においては偏析を利用して高純度化するため、原料であるポリシリコン([[多結晶]]珪素)には非常に純度の高いものが要求される。半導体に利用するには基本的に[[格子欠陥|結晶欠陥]](転位)のない単結晶が必要なので、FZ 法においても Cz 法においても単結晶を回転させながら一旦細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより所定の大きさの結晶を得る。FZ 法は大口径化に向かないため、産業用に使用されている[[シリコンウェーハ]]の大部分は Cz 法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェーハの径は直径 300 mm までである。
 
; [[ソーラーグレードシリコン|太陽電池グレード(SOG)シリコン]]
: [[太陽電池]]にはSEGグレードほどの超高純度は必要なく、7N程度の純度で済み、また多結晶でも良い。このため上記の単結晶シリコンインゴットの端材などが原料に利用されてきたが、需要の増大に伴い、専用の太陽電池グレード('''ソーラーグレード''')シリコンの生産法が開発されている。手順としては上記の半導体グレードの精製工程を簡略化した方法のほか、下記のような手法が用いられる。半導体グレードに比べ、使用するエネルギーやコストが数分の1以下になるとされる手法が多い([[ソーラーグレードシリコン]]を参照)。
::* 流動床炉(FBR)法:種結晶を気流で巻き上げながら、表面にシリコンを析出させる。
::* 冶金法:金属グレードシリコンから冶金学的手法によって直接ソーラーグレードシリコンを製造する。
::* 水ガラス化法:珪石(SiO<sub>2</sub>)を[[水ガラス]]化した状態で高純度化してから還元する。
::* NEDO溶融精製法:金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除いたあと、一方向凝固させる。
: ソーラーグレードシリコンは2006年頃には高純度シリコン市場の約半分を占め、今後もその割合は拡大すると見られている<ref name="Wacker_SOG_review">[http://www.wacker.com/cms/media/documents/investor_relations/280606_polysilicon_expansion.pdf Wacker Polysilicon: Expansion Announcement June 2006](Wacker社による生産量拡大のアナウンス資料)</ref>。今後はソーラーグレードが高純度シリコン生産量の大部分を占め、半導体級は特殊品になっていくと予測されている<ref name="NISTEP_Review">[http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt070j/0701_03_featurearticles/0701fa03/200701_fa03.html 河本洋、奥和田久美、高純度シリコン原料技術の開発動向]([[科学技術政策研究所]])</ref>。また太陽電池用シリコン原料は2008年までは供給の逼迫で価格が高止まりしていたが、2009年からは価格の低下が予測されている<ref name="greentech_SiPrice">[http://www.greentechmedia.com/articles/new-energy-finance-predicts-43-solar-silicon-price-drop-1288.html New Energy Finance Predicts 43% Solar Silicon Price Drop, greentechmedia, 18 August 2008]</ref>。
{{see also|ソーラーグレードシリコン}}
 
== ケイ素化合物 ==
* [[二酸化ケイ素]] (SiO<sub>2</sub>) - [[石英]]など
* [[ケイ酸]]
* [[窒化ケイ素]] (Si<SUBsub>3</SUBsub>N<SUBsub>4</SUBsub>)
* [[炭化ケイ素]] (SiC)
* [[ケイ酸塩]] (MgSiO<SUBsub>3</SUBsub>など)
* [[四塩化ケイ素]] (SiCl<sub>4</sub>) - [[煙幕]]
* [[シラン (化合物)|シラン]] (SiH<sub>4</sub>)
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