El silicio metálico es un metal semiconductor gris y brillante que se utiliza para fabricar acero, células solares y microchips. El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (sólo por detrás del oxígeno) y el octavo más común en el universo. Casi el 30% del peso de la corteza terrestre puede atribuirse al silicio.
Este elemento de número atómico 14 se encuentra de forma natural en los minerales de silicato, como la sílice, el feldespato y la mica, que son los principales componentes de rocas comunes como el cuarzo y la arenisca. El silicio, un semimetal (o metaloide), posee algunas propiedades tanto de los metales como de los no metales.
Como el agua, pero a diferencia de la mayoría de los metales, el silicio se contrae en estado líquido y se expande al solidificarse. Tiene puntos de fusión y ebullición relativamente altos, y cuando se cristaliza forma una estructura cristalina cúbica de diamante. La estructura atómica del silicio, que incluye cuatro electrones de valencia que permiten al silicio unirse fácilmente a otros elementos, es fundamental para su función de semiconductor y su uso en la electrónica.
Propiedades
Símbolo atómico: Si
Número atómico: 14
Categoría del elemento: Metaloide
Densidad: 2,329g/cm3
Punto de fusión: 2577°F (1414°C)
Punto de ebullición: 5909°F (3265°C)
Dureza de Moh: 7
Producción
La mayor parte del silicio que se refina cada año, alrededor del 80%, se produce como ferrosilicio para su uso en la fabricación de hierro y acero. El ferrosilicio puede contener entre un 15 y un 90% de silicio, según las necesidades de la fundición.
La aleación de hierro y silicio se produce en un horno de arco eléctrico sumergido mediante una fundición de reducción. El mineral rico en sílice y una fuente de carbono como el carbón de coque (carbón metalúrgico) se trituran y se cargan en el horno junto con la chatarra.
A temperaturas superiores a 1900°C (3450°F), el carbono reacciona con el oxígeno presente en el mineral, formando gas monóxido de carbono. El hierro y el silicio restantes, por su parte, se combinan para formar ferrosilicio fundido, que puede recogerse golpeando la base del horno. Una vez enfriado y endurecido, el ferrosilicio puede enviarse y utilizarse directamente en la fabricación de hierro y acero.
El mismo método, sin incluir el hierro, se utiliza para producir silicio de grado metalúrgico con una pureza superior al 99%. El silicio metalúrgico también se utiliza en la fundición de acero, así como en la fabricación de aleaciones de aluminio fundido y productos químicos de silano.
El silicio metalúrgico se clasifica por los niveles de impurezas de hierro, aluminio y calcio presentes en la aleación. Por ejemplo, el silicio metálico 553 contiene menos del 0,5% de cada uno de los metales, hierro y aluminio, y menos del 0,3% de calcio.
Cada año se producen unos 8 millones de toneladas de ferrosilicio en todo el mundo, y China representa alrededor del 70% de este total. Entre los grandes productores se encuentran Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials y Elkem.
Anualmente se producen otros 2,6 millones de toneladas de silicio metalúrgico, es decir, alrededor del 20% del total de silicio metálico refinado. China, de nuevo, representa alrededor del 80% de esta producción. Una sorpresa para muchos es que los grados de silicio solar y electrónico representan sólo una pequeña cantidad (menos del dos por ciento) de toda la producción de silicio refinado. Para pasar al silicio metálico de grado solar (polisilicio), la pureza debe aumentar hasta más del 99,9999% (6N) de silicio puro. Esto se hace mediante uno de los tres métodos, siendo el más común el proceso Siemens.
El proceso Siemens implica la deposición química de vapor de un gas volátil conocido como triclorosilano. El triclorosilano se sopla a 1150°C (2102°F) sobre una semilla de silicio de alta pureza montada en el extremo de una varilla. Al pasar por encima, el silicio de alta pureza del gas se deposita en la semilla.
El reactor de lecho fluido (FBR) y la tecnología de silicio de grado metalúrgico mejorado (UMG) también se utilizan para mejorar el metal hasta convertirlo en polisilicio adecuado para la industria fotovoltaica. En 2013 se produjeron 230.000 toneladas de polisilicio. Los principales productores son GCL Poly, Wacker-Chemie y OCI.
Por último, para que el silicio de grado electrónico sea apto para la industria de los semiconductores y ciertas tecnologías fotovoltaicas, el polisilicio debe convertirse en silicio monocristalino ultrapuro mediante el proceso Czochralski. Para ello, el polisilicio se funde en un crisol a 1425°C (2597°F) en una atmósfera inerte. A continuación, se sumerge un cristal semilla montado en una varilla en el metal fundido y se gira y retira lentamente, dando tiempo a que el silicio crezca en el material semilla.
El producto resultante es una varilla (o boule) de silicio metálico monocristalino que puede alcanzar un 99,999999999 (11N) por ciento de pureza. Esta varilla puede doparse con boro o fósforo, según sea necesario, para modificar las propiedades mecánicas cuánticas. La varilla monocristalina puede enviarse a los clientes tal cual, o cortada en obleas y pulida o texturizada para usuarios específicos.
Aplicaciones
Aunque cada año se refinan unos diez millones de toneladas métricas de ferrosilicio y silicio metálico, la mayor parte del silicio utilizado comercialmente se encuentra en forma de minerales de silicio, que se emplean en la fabricación de todo tipo de productos, desde cemento, morteros y cerámicas, hasta vidrio y polímeros.
El ferrosilicio, como se ha señalado, es la forma más utilizada de silicio metálico. Desde que se utilizó por primera vez hace unos 150 años, el ferrosilicio ha seguido siendo un importante agente desoxidante en la producción de acero al carbono y acero inoxidable. En la actualidad, la fundición de acero sigue siendo el mayor consumidor de ferrosilicio.
Sin embargo, el ferrosilicio tiene otros usos además de la fabricación de acero. Es una prealeación en la producción de ferrosilicio de magnesio, un nodulizante utilizado para producir hierro dúctil, así como durante el proceso Pidgeon para refinar magnesio de alta pureza. El ferrosilicio también puede utilizarse para fabricar aleaciones ferrosas de silicio resistentes al calor y a la corrosión, así como acero al silicio, que se utiliza en la fabricación de electromotores y núcleos de transformadores.
El silicio metalúrgico puede utilizarse en la siderurgia y como agente de aleación en la fundición de aluminio. Las piezas de automóvil de aluminio-silicio (Al-Si) son más ligeras y resistentes que los componentes fundidos de aluminio puro. Las piezas de automóvil, como los bloques de motor y las llantas, son algunas de las piezas de aluminio-silicio más fundidas.
Casi la mitad del silicio metalúrgico se utiliza en la industria química para fabricar sílice pirogenada (un agente espesante y desecante), silanos (un agente de acoplamiento) y silicona (sellantes, adhesivos y lubricantes). El polisilicio de grado fotovoltaico se utiliza principalmente en la fabricación de células solares de polisilicio. Se necesitan unas cinco toneladas de polisilicio para fabricar un megavatio de módulos solares.
En la actualidad, la tecnología solar de polisilicio representa más de la mitad de la energía solar producida en el mundo, mientras que la tecnología de monosilicio aporta aproximadamente el 35%. En total, el 90 por ciento de la energía solar utilizada por el ser humano es recogida por la tecnología basada en el silicio.
El silicio monocristalino es también un material semiconductor fundamental en la electrónica moderna. Como material de sustrato utilizado en la producción de transistores de efecto de campo (FET), LED y circuitos integrados, el silicio se encuentra en prácticamente todos los ordenadores, teléfonos móviles, tabletas, televisores, radios y otros dispositivos de comunicación modernos. Se calcula que más de un tercio de todos los dispositivos electrónicos contienen tecnología de semiconductores basada en el silicio.
Por último, la aleación dura carburo de silicio se utiliza en una gran variedad de aplicaciones electrónicas y no electrónicas, como la joyería sintética, los semiconductores de alta temperatura, la cerámica dura, las herramientas de corte, los discos de freno, los abrasivos, los chalecos antibalas y los elementos de calefacción.
