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ケイ素【ケイそ】

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典

ケイ素
ケイそ
silicon
元素記号 Si ,原子番号 14,原子量 28.0855。周期表 14族,炭素族元素に属する半金属元素。天然には遊離の状態で産出しないが,ケイ酸塩,酸化物 (石英) の形で広く岩石を構成する。地殻存在量は酸素に次いで多く,27.6%を占める。工業的にはアーク炉中で石英を炭素で還元し,酸洗いなどの処理をすると純度 99.9%程度のものが得られる。単体は黒灰色の針状ないし板状のゆがんだ正八面体の結晶。比重 2.33,融点 1420℃。結晶構造はダイヤモンド構造,格子定数 a=5.43Å ,屈折率 3.47,比誘電率 11.7,比熱 7.66×10-4J/(K・g) 。間接遷移型のエネルギー帯構造をもち,エネルギー間隙 1.1eV,真性半導体の室温での抵抗率は 230kΩ・cm である。3価の元素 (たとえばホウ素) あるいは5価の元素 (たとえばリン) などの不純物を添加すると,それぞれp型あるいはn型半導体となり,不純物量にほぼ比例して抵抗率が減少する。典型的な半導体。王水に徐々におかされるほか,フッ化水素と硝酸の混合物や水酸化アルカリ溶液にもおかされる。シランシリコーンの製造,トランジスタ,ダイオード,太陽電池の製造に用いられるほか,フェロシリコン,シリコンブロンズ,シリコン銅などの合金用に使用される。高温における還元剤としても重要である。また,窒素ケイ素や炭化ケイ素はセラミック材料として用いられる。半導体材料としては,炭素還元で得られたケイ素を四塩化ケイ素 SiCl4 ,あるいはトリクロロシラン SiHCl3 の形で蒸留精製して高純度化し,それらを熱分解させて不純物量が 10-10 程度の高純度多結晶ケイ素とする。その後,不純物を必要量添加して円柱状の単結晶を製作する。現在では直径約 20cmのケイ素単結晶が量産されており,これを薄板 (ウエハ) に切断し,研磨して半導体素子の製作に供する。ウエハを種結晶として用い,エピタキシャル技術によってこの上にごく薄い成長層をつくり,この部分に素子を形成する方法も行われている。ケイ素を用いた半導体素子はゲルマニウムを用いたものに比べ高温まで (200℃まで) 安定に動作する。ケイ素の表面酸化膜 SiO2 が電気的,化学的,機械的に安定であることもケイ素の利点である。 SiO2 膜は素子製作時の拡散工程のマスク,表面保護膜などに有効に利用されている。

出典:ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典
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栄養・生化学辞典

ケイ素
 原子番号14,原子量28.0855,元素記号Si,14族(旧IVa族)の元素.シリコンともいう.非金属元素に属する.非必須栄養素とされるが,必須性を主張する意見もある.

出典:朝倉書店
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日本大百科全書(ニッポニカ)

ケイ素
けいそ
silicon
周期表第14族に属し、炭素族元素の一つ。工業的にはシリコンということのほうが多い。石英やガラスは古代から知られており、とくにシリカ(二酸化ケイ素)とソーダなどを混合融解してガラスをつくることはよく知られていた。シリカは18世紀の終わりごろまでは一つの元素単体であるとも考えられていたが、19世紀に入ってから、これが未知の元素を含むものとして分離することが試みられるようになった。1811年ゲイ・リュサックとテナールは四フッ化ケイ素とカリウムを熱して粗製のケイ素を得たが、さらに1824年ベルツェリウスがこの方法を検討して実験を重ね、初めてケイ素を取り出すことに成功した。結晶が得られたのは1854年で、フランスのサント・クレール・ドビルHenri tienne Sainte-Claire Deville(1818―1881)がアルミニウムの混合塩化物を溶融してアルミニウムを分離するときに初めて結晶として得られた。シリコンの名称はラテン語のsilex(ケイ砂)に基づいている。現在半導体としての需要が多く、工業的に高純度のものが大量に生産されている。[守永健一・中原勝儼]

存在

地殻中には酸素に次いで2番目に多く、すべての岩石、天然水、大気、多くの植物や動物の骨、組織、体液にみいだされる。しかし、炭素と違って遊離状態では産出せず、酸化物または酸素のほか、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄などと化合して無数のケイ酸塩として、岩石、土壌、粘土などを構成している。[守永健一・中原勝儼]

製法

無定形のものは珪砂(けいさ)をマグネシウムまたはアルミニウムで還元する。
  SiO2+2Mg―→Si+2MgO
工業的には、電気炉内でコークスにより還元する。結晶形のものはヘキサフルオロケイ酸カリウムをアルミニウム、カリウム、ナトリウムなどで還元する。
  3K2SiF6+4Al
   ―→3Si+2KAlF4+2K2AlF5
 市販品は97~99%の純度。きわめて純粋なものは、たとえば粗シリコンを塩化水素ガスと反応させてトリクロロシランSiHCl3とし、これを蒸留して精製してから水素還元してつくる。その他SiCl4、SiI4などとして精製してから還元することもある。さらに引上げ法やゾーンメルティング(帯融解法)で精製する。純度は99.99%以上が普通。電気特性上の純度でもいわゆるナインナインの純度99.9999999%のものも得られている。なお、シリコン多結晶製造用の中間原料についてはを参照。また、シーメンス法シリコンの製造工程についてはを参照。[守永健一・中原勝儼]

性質

結晶は灰色で金属光沢がある。ダイヤモンド型構造で、ゲルマニウムとともに半導体としてよく知られている。無定形のものは褐色粉末であるが、これもダイヤモンド型構造である。真性半導体の比抵抗は室温で230キロオーム・センチメートル。3価(たとえばホウ素)または5価(たとえばアンチモン)の不純物の微量を加えると、それぞれp型またはn型の半導体となる。室温では空気中で安定であるが、フッ素とは激しく反応して四フッ化物をつくる。酸素とは400℃、塩素とは430℃、臭素とは500℃、硫黄(いおう)とは600℃、窒素とは1300℃、炭素とは2000℃で反応し、それぞれ二酸化物、四塩化物、四臭化物、二硫化物、窒化物、炭化物をつくる。普通の無機酸に対しては安定であるが、王水では徐々に侵される。フッ化水素と硝酸またはフッ化水素と過酸化水素の混合物にはたやすく溶ける。熱水酸化アルカリ溶液には水素を発生して溶けケイ酸アルカリとなる。融解状態の金属とはケイ化物をつくり、多くの金属酸化物は高温でケイ素によって還元され金属を遊離する。300~400℃で塩化メチルや塩化フェニルと容易に反応していろいろな有機クロロシランとなる。これから、ケイ素‐酸素結合で連結した鎖状分子にアルキル基やアリール基のついたシロキサン、その重合体のシリコーン樹脂(ケイ素樹脂)、シリコーン油などが導かれる。[守永健一・中原勝儼]

用途

高純度ケイ素は半導体としてダイオード、トランジスタ、IC(集積回路)、整流器、その他の半導体素子に盛んに利用される。シリコーンゴム、シリコーン油など各種シリコーン高分子材料の原料として広く用いられるほか、金属精練における還元剤、脱酸剤として重要。また合金添加元素として金属材料関係に多量に用いられる。高ケイ素鋳鉄(15%ケイ素)は耐酸合金として知られる。ケイ素0.5~4.2%のケイ素鋼板は導磁率が高く、変圧器などの鉄心として重要である。銅合金では約4.5%添加されて電信・電話線などに用いられ、アルミニウム合金では約13%添加されてシルミン合金として自動車その他の車両部品に大量に用いられる。また炭化ケイ素の原料に用いられる。[守永健一・中原勝儼]

出典:小学館 日本大百科全書(ニッポニカ)
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化学辞典 第2版

ケイ素
ケイソ
silicon

Si.原子番号14の元素.周期表14族元素半金属の一つ.電子配置[Ne]3s23p2.原子量28.0855(3).質量数28(92.223(19)%),29(4.685(8)%),30(3.092(11)%)の3種の安定同位体と22から44までの放射性同位体が知られている.32Si がもっとも長寿命で半減期153 y の β 崩壊核種.1824年,J.J. Berzelius(ベルセリウス)が無定形ケイ素の分離に成功,結晶は1854年,H.S-C. Devilleによって得られた.元素名は,1808年にH. Davy(デイビー)がラテン語の“ひうち石”silexからsiliciumを提案,炭素と同族であることから語尾をonに替えて英語元素名がsiliconとなった.フランス語,ドイツ語の元素名はSilicium.蘭学者宇田川榕菴の「舎密開宗」(1837年)には悉里叟母(シリシウム)と記載されている.日本語名ケイ素はけい土に含まれる元素として命名された.
灰白色金属光沢をもつ結晶.ダイヤモンド型構造をもつ.格子定数α = 0.5430 nm,融点1410 ℃,沸点2355 ℃.密度2.3296 g cm-3(25 ℃).無定形ケイ素は褐色粉末.地殻には,単体ケイ素の形では産しないが,ケイ酸塩の形で大量に存在し,重量百分率で26.77% を占める.石英(けい砂,水晶)のような酸化物の形でも多量に産する.工業的にケイ素を得るには,石英砂にコークスを加え,電気炉で加熱還元する.

SiO2 + 2C → Si + 2CO

高純度のケイ素を得るには,ヨウ化ケイ素を熱分解する.

SiI4 → Si + 2I2

不純物が 10-9 以下の超高純度ケイ素は,四塩化ケイ素を1100 ℃ 以上に加熱した棒状ケイ素表面上で,水素で還元しSiCl2,SiH2Cl2ほかの不純物を取り除いてケイ素を得,帯状溶融法などでさらに精製することにより得られる.半導体用の単結晶ケイ素は,不活性雰囲気中で約1500 ℃ の超高純度ケイ素融液から種子結晶を徐々に引き上げる結晶引上げ法(チョクラルスキー法)で製造する.酸化数はおもに4であるが,3(Si2I6など),2(SiO,Si F2など),-1(NaSi-Ⅰ,KSi-Ⅰなど),-3(MoSi2-Ⅲ,YSi-Ⅲなど),-4(Mg2Si-Ⅳ,Ca2Si-Ⅳなど)もある.化学的には安定であるが,無定形ケイ素は結晶性ケイ素に比べてかなり活発で,空気中で加熱すれば燃焼し,二酸化ケイ素を生じる.またフッ化水素酸に溶ける.結晶性ケイ素はフッ化水素酸には不溶であるが,硝酸を加えて熱すると溶解する.また白熱程度に熱すると酸素や窒素と化合する.アルカリ溶液には水素を発してきわめて容易に溶ける.単体のケイ素は多くの金属と合金をつくる.周期表1~3族の金属,遷移金属元素とケイ化物をつくる.合金の相図はケイ化物,不定比化合物,金属間化合物の共存を示すことが多い.二ケイ化モリブデン(-Ⅳ)はサーメット,抵抗体として用いられる.酸素と親和性が強いので,製鋼の際,鉄との合金フェロアロイの形で脱酸素剤として利用される.炭素と安定な有機ケイ素化合物をつくり,シリコーン油,ケイ素樹脂などは工業的に生産され利用度も大きい.半導体各種デバイスのほか,太陽電池に(多)結晶,アモルファスの両形態が用いられる.量的には,わが国の最大需要は電磁鋼板など製鋼用で,ついでケイ素樹脂など化学用である.[CAS 7440-21-3]

出典:森北出版「化学辞典(第2版)」
東京工業大学名誉教授理博 吉村 壽次(編集代表)
信州大学元教授理博 梅本 喜三郎(編集)
東京大学名誉教授理博 大内 昭(編集)
東京大学名誉教授工博 奥居 徳昌(編集)
東京工業大学名誉教授理博 海津 洋行(編集)
東京工業大学元教授学術博 梶 雅範(編集)
東京大学名誉教授理博 小林 啓二(編集)
東京工業大学名誉教授 工博佐藤 伸(編集)
東京大学名誉教授理博 西川 勝(編集)
東京大学名誉教授理博 野村 祐次郎(編集)
東京工業大学名誉教授理博 橋本 弘信(編集)
東京工業大学教授理博 広瀬 茂久(編集)
東京工業大学名誉教授工博 丸山 俊夫(編集)
東京工業大学名誉教授工博 八嶋 建明(編集)
東京工業大学名誉教授理博 脇原 將孝(編集)

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