ケイ素（シリコン）とは：元素の定義・性質・用途（半導体・ガラス）

ケイ素（シリコン）の定義・物性・半導体やガラスでの重要な用途を図解でわかりやすく解説する入門ガイド。

シリコンは周期表の14番元素。記号はSiです。

シリコンは金属のように見えますが、電気を通しやすいなど、金属の機能をすべて持っているわけではありません。これはメタロイドと呼ばれています。シリコンは、今日のコンピューターをはじめ、ほとんどすべての電子機器に大量に使用されている。ゲルマニウムもコンピュータに使われていますが、シリコンの方が入手しやすいのです。

地球上にはたくさんのケイ素があります。海岸には、砂という形でケイ素があります。砂は、二酸化ケイ素やシリカと呼ばれるケイ素の化合物です。ガラスは、砂（または二酸化ケイ素）を熱して作ります。色のついた化合物を加えると、ガラスはさまざまな色になります。また、ケイ素は多くの岩石や鉱物を構成しており、それらはケイ酸塩として知られています。

基本的な性質

シリコンは原子番号14、標準原子量は約28.085。電子配置は[Ne] 3s2 3p2で、常温・常圧では固体です。結晶性のシリコンは銀灰色で光沢があり、密度は約2.33 g/cm3、融点は約1414 °C、沸点は約3265 °Cです。電気伝導性は温度や不純物（ドーパント）の影響を強く受け、「半導体」として振る舞います。

同素体と結晶構造

元素としてのシリコンは主にダイヤモンド型の結晶構造をとります。アモルファスシリコン（非晶質）は薄膜太陽電池や薄膜トランジスタに使われます。単結晶シリコンは半導体デバイスや高効率太陽電池の基板（ウェーハ）に用いられ、製造には高純度の原料と特殊な引き上げ・成長技術（Czochralski法やフロートゾーン法）が必要です。

化学的性質

• 酸化：シリコンは空気中で表面が酸化して二酸化ケイ素（SiO2）を形成します。SiO2はガラスや鉱物の主成分です。
• 反応性：高温ではハロゲンと反応して四ハロゲン化ケイ素（例：SiCl4）を形成します。また、炭素と反応して炭化ケイ素（SiC）を生成します。
• 化合物の多様性：ケイ素はシリカ（SiO2）、シリケート（ケイ酸塩）、シロキサン結合を持つ有機シリコーン（シリコーン、Silicone）など多くの化合物を作ります。注意：元素の「シリコン」と有機高分子の「シリコーン」は別物です。

主な用途

• 半導体・電子機器：シリコンは集積回路（IC）、トランジスタ、ダイオード、マイクロプロセッサの基板材料として最も広く用いられています。高純度シリコンを用いて単結晶インゴットを成長させ、薄くスライスしたウェーハ上でパターン形成・ドーピングを行ってデバイスを作ります。CMOSプロセスやフォトリソグラフィーはシリコンベースの半導体製造の基本技術です。
• 太陽電池：多結晶シリコン・単結晶シリコン・アモルファスシリコンは太陽電池（光起電力セル）に使用されます。シリコン太陽電池は現在でも最も一般的なタイプです。
• ガラス・セラミックス・建材：SiO2（シリカ）はガラスの主要成分です。ケイ酸塩鉱物はセラミックスやコンクリートの成分として重要です。
• 研磨材・耐熱材料：炭化ケイ素（SiC）は研磨材、切削工具、耐火材料、パワーエレクトロニクス用の基板材料として用いられます。
• 化学工業・シリコーン：シロキサン結合を持つ有機シリコーン（シリコーンオイル、シリコンゴムなど）は耐熱性・絶縁性・潤滑性を活かして幅広く使われます（繰り返しになりますが、これらは元素シリコンとは化学的に加工された派生物です）。
• 生体関連：シリカはフィラーや医療材料、骨補填材などに使われることがあります。微細藻類（珪藻）の殻や植物にもケイ素は存在し、生物学的な役割を果たします。

製造と精製

天然には主に二酸化ケイ素やケイ酸塩として存在するため、純粋な元素シリコンは化学的に還元して得られます。一般的な工程は次のとおりです：

• 砂（SiO2）を高温で炭素とともに還元してメタルグレードシリコン（MG-Si）を得る（カーボサーマル還元）。
• 電子機器用にはさらに高純度化（ポリシリコン化）が必要で、トリクロロシラン（SiHCl3）などを経由して化学蒸着で高純度シリコンを作るSiemens法などが用いられます。
• 単結晶化はCzochralski法（引き上げ法）やフロートゾーン法で行われ、極めて高い純度（9N以上＝99.9999999%）が要求されます。

生物学的役割と安全性

ケイ素は多くの植物（特にイネ科）や珪藻などで重要な役割を持ちますが、ヒトにとっては必須元素かどうかは議論があります。一般に低毒性ですが、粉じん（特に結晶性シリカの呼吸吸入）は肺疾患（珪肺症、シリコーシス）を引き起こす危険があり、安全な作業管理が必要です。また、シリコンの生産はエネルギー集約的であり、環境負荷や排出の管理が課題になります。

関連物質の注意点

• シリカ（SiO2）とシリコーン（シロキサン系ポリマー）は混同しやすいので注意してください。シリカは無機物質、シリコーンは有機ポリマーです。
• ゲルマニウム（Ge）も半導体材料として用いられますが、物理的・化学的性質が異なり、用途や加工法が分かれます。

まとめると、シリコンは地球上で豊富に存在するメタロイド元素であり、半導体・ガラス・セラミックス・化学工業など幅広い分野で不可欠な材料です。高純度化・単結晶化技術や安全な取り扱いがその利用の鍵となっています。

質問と回答

Q: ケイ素とは何ですか?

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Q: ケイ素は電気をよく通しますか?

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Q: ケイ酸塩とは何ですか?

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