Silicium

Elément le plus abondant dans la croûte terrestre après l’oxygène, semi-conducteur, le silicium est maintenant le matériau essentiel des composants électroniques de nos équipements à base de transistors, circuits intégrés… Il ne se trouve pas à l’état natif, mais combiné à l’oxygène dans la silice et dans les silicates aux très nombreuses utilisations

Le silicium présente une structure dérivée du système cubique à faces centrées comme le carbone de type diamant. Son numéro atomique est 14, sa masse atomique 28 et il fond à 1 414 °C. Il est très abondant dans la croûte terrestre avec une concentration de plus de 24 %. Combiné à l’oxygène, il forme la silice constituant principal du …sable. De couleur gris-noir, le silicium a été isolé pour la première fois en 1823 par J. Jacob Berzelius, mais c’est Henri Sainte-Claire Deville qui l’obtint en 1854 sous sa forme cristalline.

Comme il est semi-conducteur, il conduit nettement moins bien l’électricité qu’un métal, mais comme l’écart entre sa bande de valence et sa bande de conduction est de 1,1 eV, on le rend facilement conducteur par excitation. Si on le dope avec des traces d’éléments du groupe 15 (P ou As), la conduction se fait par les porteurs majoritaires, les électrons : on dit que c’est un semi-conducteur de type n. Par dopage avec des éléments du groupe 13 (Ga ,In), les porteurs majoritaires sont des trous : le semi-conducteur est dit p.

Ces propriétés de semi-conducteur ont permis un essor fantastique de l’électronique et de la microélectronique avec la production de silicium ultra-pur (99,99999 %) qui sert de base pour la fabrication de diodes, transistors et circuits intégrés de plus en plus performants. En effet, grâce à la précision et la finesse de la gravure et des opérations métallurgiques et chimiques de dopages et d’oxydation on peut maintenant stocker ou traiter des milliards de signaux sur moins de 1 cm2 de composant. La microélectronique et les circuits intégrés ont obéi ces dernières années à « la loi de Moore », c’est-à-dire au doublement des capacités tous les 2 ans.

La production du silicium exige beaucoup d’énergie et d’opérations. On part de l’oxyde SiO2 sous forme de sable, quartz ou galet qui doit être réduit :

SiO2 + C ------> Si + CO2

La silice est mélangée avec un réducteur tel que le coke, et porté à très haute température entre 1 500 et 3 000° C dans des fours à arc. Le silicium, recueilli dans des poches, est affiné par injection d’air pour éliminer les traces d’aluminium et de calcium, puis coulé ou granulé. En production secondaire une très fine poussière de silicium est oxydée en silice ultrafine qui peut être utilisée comme additif pour les bétons de très haute résistance.|

Le silicium obtenu est de qualité métallurgique (98 %). Pour passer au silicium ultra-pur, on l’attaque par l’acide chlorhydrique qui conduit au trichlorosilane (SiHCl3) qui est purifié par distillations successives, puis décomposé sous hydrogène à 950 °C. Le silicium pur est ensuite fondu sous vide à 1 500 °C, en salle blanche : à la surface du liquide, on introduit un germe cristallin qu’on tire doucement pour former un monocristal de silicium qualité électronique (Procédé Czochralski). C’est ce monocristal qui est ensuite scié en tranches de 0,2 mm, les plaquettes (wafers), qui, rodées et traitées seront transformées en transistors et circuits intégrés.

En dehors de l’électronique, le silicium a de nombreuses utilisations :

    • les silicones, polymères de formule générale ((CH3)2SiO2)n, hydrophobes, conducteurs et résistant à la chaleur (250°C), très utilisés dans le bâtiment, les shampoings, l’électro-ménager. Ils représentent près de 40 % de l’utilisation du silicium,
    • les panneaux photovoltaïques dont près de 90 % sont à base de silicium monocristallin ou polycristallin.

La qualité de pureté peut être légèrement inférieure à celle exigée pour l’électronique. Cependant la production et la fabrication rendent encore le kW solaire 2 à 5 fois plus cher que l’électricité d’origine conventionnelle. Les mauvaises langues prétendent que, compte tenu de la complexité de leur fabrication, les panneaux exigent plus d’énergie à fabriquer qu’ils ne peuvent en délivrer au cours de leur vie. En fait cela dépend bien sûr de l’ensoleillement, mais les experts donnent 3 à 4 ans pour parvenir à compenser l’énergie dépensée à leur élaboration.

On a souvent entendu parler, et pas seulement dans les romans et films de science fiction, d’autres mondes ou d’autres civilisations basées sur le silicium qui a des propriétés très proches du carbone, capable de former des complexes analogues à ceux imaginés en exo-biologie. Aucune preuve de ces éventualités n’a encore été apportée

La pensée du jour
« La frénésie délirante des gadgets électroniques c’est du silicium très mince !  »

Sources

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