現代社会に欠かせない存在となっているほど豊富で多用途な元素があります。その元素とはシリコン、つまり今日私たちが使用するあらゆる電子機器の心臓部となる半導体です。
シリコンは、記号 Si で表され、原子番号 14 の化学元素です。青灰色の金属光沢を持つ硬い結晶性の固体で、四価の半金属および半導体です。地球の地殻では酸素に次いで 2 番目に多い元素です (質量比で約 28%)。
シリコンの融点は 1414 °C、沸点は 3265 °C です。比較的不活性で、酸素や水とは反応しません。加熱すると、ハロゲンや希アルカリと反応します。シリコンには 2 つの同素体形態があります。ブラウン シリコンは粉末ですが、結晶 (金属) シリコンは非常に脆いです。
シリコンの電子配置は\([Ne] 3s^2 3p^2\)です。この配置は、シリコンが他の原子や分子と 4 つの共有結合を形成できることを示しており、これによりシリコンは化合物の形成において非常に多用途になります。
シリコンは半導体として機能し、ある条件下では電気を通すが、他の条件下では通さないという特性があるため、電子機器の製造には欠かせないものとなっています。この特性により電流の制御が可能になり、マイクロチップや太陽電池からスマートフォンやコンピューターに至るまで、さまざまな機器で極めて重要になります。
テクノロジーにおけるシリコンの役割の中心は、シリコン チップ、つまり集積回路です。薄いシリコン片から作られたこのデバイスには、数千から数百万のトランジスタを収容できます。トランジスタはスイッチとして機能し、デバイス内の電流の流れを制御します。
シリコンは自然界に単体で存在することはなく、石英、長石、雲母、粘土などの鉱物に結合して存在します。また、砂の重要な成分でもあります。採掘と精製のプロセスを通じて、純粋なシリコンが抽出され、工業用途に使用されます。
シリコンは生物学においても極めて重要ですが、あまり知られていません。珪藻類などの一部の微生物は、細胞壁を強化するためにシリコンを使用しています。生物によるシリコンのこのような利用は、この元素がいかに多用途であるかを示す一例です。
最もよく知られているシリコン化合物の 1 つは二酸化ケイ素 ( \(SiO_2\) ) で、一般に石英として知られています。この化合物はガラス、セラミック、セメントの基礎を形成します。別の化合物である炭化ケイ素 ( \(SiC\) ) は研磨剤として、また防弾チョッキに使用されます。
純粋なシリコンは、電気アーク炉で 2000°C を超える温度で二酸化シリコンを炭素で還元することによって得られます。この反応の式は次のとおりです。
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
このプロセスにより冶金グレードのシリコンが生成され、さらに精製されて半導体グレードのシリコンが生産されます。これにはゾーン精製と呼ばれるプロセスが含まれ、シリコンインゴットの小さな部分を溶かして再結晶化させることで不純物が除去されます。
シリコン自体は有害ではありませんが、シリコンの抽出と精製のプロセスは環境に影響を与える可能性があります。石英砂（シリコンの主な供給源）の採掘とシリコン金属およびシリコン化合物の生産は、大気汚染と水質汚染につながる可能性があります。業界では、リサイクルとプロセス改善の取り組みを通じてこれらの影響を軽減する取り組みが進められています。
テクノロジーの限界を押し広げ続ける中で、シリコンとその化合物の需要は拡大すると予想されます。より効率的なシリコンベースの半導体の開発や、将来シリコンに取って代わったり、シリコンと並んで機能する可能性のある代替材料の研究が進められています。
熱心に研究されている分野の一つは、量子コンピューティングに使用できる可能性を秘めたシリコン量子ドットの開発です。量子コンピューターは、従来のコンピューターとは異なり、量子力学の原理を使用して、これまでにない速度で複雑な計算を実行します。
エネルギー貯蔵技術におけるシリコンの潜在的利用に関する研究も進行中です。シリコンアノードは従来のグラファイトアノードよりもはるかに高い容量を持つため、リチウムイオン電池での使用が研究されています。これにより、電子機器や電気自動車のバッテリー寿命が大幅に延びる可能性があります。
シリコンは単なる元素ではありません。現代のテクノロジーの基盤となる柱です。そのユニークな特性により電子機器の動作が可能になり、豊富に存在するため幅広い用途の重要な材料となっています。シリコンの能力の探究と改良を続ける中で、シリコンはテクノロジーの未来への取り組みの最前線に留まります。
シリコンの半導体特性を理解するためによく行われる実験の 1 つは、加熱されたシリコンの伝導率を測定することです。制御された環境で、シリコンのサンプルを温度センサーとマルチメーターを備えた回路に接続します。シリコンが徐々に加熱されるにつれて伝導率が上昇し、半導体としての性質が示されます。この実験は、シリコンが高温でより多くの電気を伝導できることを示しています。この原理は、さまざまな電子機器で利用されています。
