结构
这不是环上点阵的示意图，而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号，这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示硅在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源：IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值，而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
硅 is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 3538 K.
故事
硅是构建信息时代的元素，也是我们脚下地面的大部分组成成分！继氧之后，它是地壳中含量最丰富的元素，构成岩石、沙子和玻璃的骨架。但硅真正带来的革命，是科学家学会将其提纯至99.9999999%，从而制造出驱动每台计算机、智能手机和数字设备的半导体芯片。硅谷正是以这种元素命名的，因为硅能够在每秒数十亿次的频率下，在导电和绝缘之间切换。从古老的玻璃窗到现代太阳能电池板，从计算机芯片到乳房植入物，硅以无数种方式塑造着我们的世界。每片海滩上的每一粒沙子都主要由二氧化硅组成，这意味着人们用制造智能手机的同一种元素建造沙堡！
硅的发现历程跨越数千年，从古代玻璃工匠在不知情的情况下使用硅化合物，到19世纪化学家分离出纯元素，最终促成了定义现代文明的数字时代。
人类在不知情的情况下利用硅化合物已有9,000多年。考古证据表明，早在理解原子理论之前很久，古代文明就已经掌握了硅酸盐技术。
7000 BCE：中国和中东首次使用富含硅的黏土制作陶器
3500 BCE：美索不达米亚使用硅砂和草木灰制玻璃
1500 BCE：埃及工匠使用二氧化硅制作精美的玻璃器皿
500 BCE：罗马混凝土加入富含无定形二氧化硅的火山灰（火山灰质材料）
罗马人在不知情的情况下，使用来自维苏威火山的富硅火山灰，制造出历史上最耐久的混凝土之一。建于126 CE的罗马万神殿至今仍然屹立，部分原因就在于其混凝土穹顶中硅的增强作用。
对硅的科学研究始于启蒙时代，当时化学家开始系统地研究矿物和化合物。
法国化学家 Antoine-Laurent de Lavoisier 首先怀疑二氧化硅（SiO₂）中含有一种未知元素。在其具有革命意义的1789年著作《化学基础论》中，Lavoisier将二氧化硅列入他认为含有尚未发现元素的化合物之中，为后来尝试分离该元素奠定了基础。
欧洲各地的多位化学家竞相分离纯硅，由此引发了持续十多年的相互矛盾的声明和科学争议。
英国化学家 Sir Humphry Davy（1778-1829）于1808年首次尝试使用他新发明的电池分离硅。Davy尝试电解二氧化硅，但只成功制得了不纯的深色粉末。尽管没有成功，他还是以拉丁语“silex”（燧石）加后缀“-on”（类似于碳和硼）创造了“silicon”这个名称。
法国化学家 Gay-Lussac（1778-1850）和 Thénard（1777-1857）尝试将钾与四氟化硅（SiF₄）加热来分离硅。他们制得了一种自认为是硅的棕色粉末，但后来的分析显示，其中含有大量硅化合物，而不是纯元素。
瑞典化学家 Jöns Jacob Berzelius（1779-1848）于May 15, 1824首次确认分离出纯硅。他系统的方法和细致的记录确立了他作为硅真正发现者的地位。
Berzelius在铁坩埚中将四氟化硅（SiF₄）与金属钾加热：
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
他的创新之处在于先用水洗涤产物以除去氟化钾，再用稀盐酸溶解除未反应的钾，最终留下纯硅。Berzelius将其产物描述为“一种具有金属光泽的棕色粉末”。
历史引文：“我得到了一种棕色物质，在显微镜下观察时，似乎由金属颗粒组成……这种物质就是金属态的硅。”
直到19世纪末工业应用出现之前，硅一直只是实验室中的新奇材料。
法国化学家 Henri Sainte-Claire Deville（1818-1881）通过在高温下用铝粉还原二氧化硅，改进了硅的生产方法。该方法能够大规模生产硅，从而推动了最早的商业应用。
Edward Goodrich Acheson（1856-1931）开发了生产碳化硅（金刚砂）以及后来生产纯硅的电炉工艺。他的公司The Carborundum Company成为第一家大型硅生产商，为磨料行业以及后来半导体材料行业提供产品。
硅从实验室新奇材料转变为定义文明的材料，始于第二次世界大战期间雷达技术的发展。
1940：Bell Labs的Russell Ohl发现硅中的光伏效应
1947：Bardeen、Brattain和Shockley发明第一支晶体管（以锗为基础）
1954：Bell Labs制造出第一块实用硅太阳能电池（效率为6%）
1958：Jack Kilby使用锗发明集成电路；Robert Noyce使用硅对其进行了改进
1961：第一批商用硅集成电路开始生产
1971：Intel推出4004微处理器——第一台芯片上的计算机
如今，硅推动着全球通信、人工智能、可再生能源和太空探索。从1824年Berzelius手中的微小棕色粉末，到为拥有数十亿晶体管的处理器提供动力，硅的历程代表了化学史上最具变革性的发现之一。
Berzelius的遗产：这位分离出硅的瑞典化学家绝不可能想象，他的棕色金属粉末会成为人类文明最伟大技术革命的基础。每一部智能手机、每一台计算机和每一块太阳能电池，其发展脉络都可以追溯到1824年那个决定性的日子——Berzelius第一次将纯硅握在手中。
应用
硅独特的半导体性质彻底改变了人类文明，推动了数字时代和现代科技的发展。从智能手机到航天器，基于硅的设备为我们互联互通的世界提供动力。
硅在半导体制造中占据主导地位，占所有计算机芯片的95%以上。该元素的晶体结构和可控电学性质使其非常适合制造晶体管、二极管和集成电路。
硅晶圆：超高纯度的硅锭（纯度为99.9999999%）被切割成直径为200-300mm、厚度为0.775mm的晶圆。Intel最新的处理器采用3nm工艺技术，可在单个芯片上容纳超过1000亿个晶体管。
掺杂工艺：在纯硅中掺入微量磷（n型）或硼（p型），以形成半导体性质。该工艺涉及能量为1-200keV的离子注入，从而精确控制电导率。
光刻：硅晶圆使用波长为13.5nm的极紫外（EUV）光进行光刻。ASML的EUV设备每台成本达$200 million，可实现现代处理器所需的精密图案化。
硅光伏电池通过光伏效应将阳光直接转化为电能。现代硅太阳能电池板在商业应用中的效率可达22-26%。
硅化合物通过玻璃、混凝土和陶瓷构成现代建筑的基础。硅酸盐占地壳的90%，是不可或缺的建筑材料。
现代车辆包含超过1000个基于硅的半导体，用于控制发动机、安全系统和信息娱乐系统。电动汽车使用碳化硅（SiC）电力电子器件，以提高效率。
SiC MOSFET：Tesla Model 3使用工作电压为650V的碳化硅逆变器，使电能效率提高5%，并缩短充电时间。SiC的开关频率为10kHz，而硅为2kHz，从而能够使用更小、更轻的元件。
传感器应用：硅MEMS（微机电系统）可制造加速度计、陀螺仪和压力传感器，用于安全气囊展开、稳定性控制和轮胎压力监测。
硅技术支持GPS导航、卫星通信和太空探索。抗辐射硅芯片能够承受严酷的太空环境。
硅的生物相容性使其能够应用于医疗植入物、诊断设备和药物递送系统。硅的惰性性质使其非常适合长期植入。
硅技术以无数种形式环绕着我们，常常无形可见，却始终不可或缺。从清晨的闹钟到睡前的娱乐，硅让现代生活成为可能。
单个 iPhone 13 处理器中的晶体管数量
截至 2025 年全球联网设备数量
半导体硅所需的纯度
全球半导体市场价值（2022 年）
普通智能手机所包含的计算能力，超过了引导 Apollo 11 登上月球的计算机。如果把同一部手机中的超过 1 billion 个晶体管分别看作一个人，它们足以住满中国，而且还绰绰有余！
来源
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
硅是地壳中丰度第二高的元素，按重量计占27.7%，仅次于氧。这种丰度使硅成为地球地质结构的基本构成，也是所有硅基技术的基础。
由于硅与氧的反应性很高，硅在自然界中从不以纯金属形式存在。相反，它会形成无数种矿物和化合物，构成地球的实际结构。
最常见的含硅矿物，占地壳的12%。分布于：
著名产地：巴西石英矿、阿肯色州晶体矿床、赫基默“钻石”（纽约州）
地壳中丰度最高的矿物族（50-60%），包括：
形成：火成岩中的高温结晶
富含长石的岩石风化后的产物：
经济意义：陶器、纸张涂层、钻井泥浆
镁铁质岩石中的深色硅酸盐矿物：
产状：玄武岩、辉长岩、火山岩
硅的宇宙之旅始于大质量恒星的核心，在氧燃烧和硅燃烧过程中形成。当质量至少为太阳8倍的恒星走到生命尽头时，它们会通过核聚变产生硅。
氧燃烧（1.5-2 billion K）： ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
硅燃烧（3+ billion K）： ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
在超新星爆炸期间，这些富含硅的恒星核心物质会散布到整个星系，最终成为像我们所在的太阳系这样的新恒星系统的一部分。你智能手机中的硅，确实是在数十亿年前一颗垂死恒星的核心中锻造出来的！
硅通过以下过程在行星形成中发挥了关键作用：
4.6 billion years ago：太阳星云凝聚，形成富含硅的尘埃颗粒
4.5 billion years ago：硅酸盐微行星吸积
4.4 billion years ago：地核与地幔分异，使硅集中于地幔中
4.0 billion years ago：最初大陆地壳结晶形成（富含硅的花岗岩）
3.8 billion years ago：形成具有硅铝骨架的稳定克拉通
硅以溶解硅酸（H₄SiO₄）的形式天然存在于水中，浓度通常为1-30 mg/L。海水中含有约3 mg/L的溶解硅，这是硅藻生长所必需的。
硅谷的由来：这个著名的科技中心因在那里开发的硅半导体而得名，不过具有讽刺意味的是，如今大部分硅来自亚洲，而不是加利福尼亚州！
处理
纯硅及许多硅化合物在正常条件下一般不会造成明显健康风险。然而，某些硅化合物和工业过程需要谨慎考虑安全问题，尤其是结晶二氧化硅暴露。
OSHA允许暴露限值：0.05 mg/m³（可吸入结晶二氧化硅，8小时时间加权平均值）
主要风险：矽肺——吸入结晶二氧化硅粉尘引起的进行性、不可治愈的肺部疾病
高风险活动：喷砂、采矿、采石、混凝土切割、陶器制作
症状：呼吸短促、持续咳嗽、疲劳、胸痛、呼吸衰竭（晚期病例）
进展：单纯性矽肺（15-20年）→ 进行性大块纤维化 → 死亡
IARC分类：1类致癌物（职业来源的结晶二氧化硅）
癌症类型：肺癌，以及可能的肾脏疾病和自身免疫性疾病
风险因素：暴露持续时间和强度、颗粒大小、表面反应性
预防：工程控制、呼吸防护、医学监测
眼睛联系：硅粉尘可能导致机械性刺激和角膜擦伤
皮肤联系：通常不会引起刺激，但磨蚀性粉尘可能造成割伤或机械性刺激
摄入：大量摄入可能引起胃肠道刺激，但不会造成全身性毒性
硅片处理：锋利边缘可能造成割伤；使用适当的处理工具和防割手套
化学品暴露：硅加工涉及氢氟酸，需要专门的安全规程
高温操作：硅熔化（1414°C）需要热防护和应急程序
措施：立即用清水冲洗15分钟。如隐形眼镜易于取出，则将其取下。不要揉眼睛。
医疗处理：如果刺激持续存在，或颗粒嵌入眼睛，应立即就医。
立即措施：立即将人员转移到新鲜空气处。使其远离粉尘暴露源。
医疗响应：如出现呼吸困难，给予氧气并送往医疗机构。
记录：记录暴露详情，以供医学评估和工伤赔偿使用。
轻微暴露：用肥皂和水清洗。脱去受污染的衣物。
割伤：控制出血，清洁伤口，敷上无菌敷料。锋利的硅碎片可能需要由医务人员取出。
措施：用水漱口。除非医务人员指示，否则不要催吐。
大量摄入：如果摄入了大量物质或出现症状，应就医。
• 消费电子产品（手机、电脑）中的硅在正常使用期间不会造成健康风险
• 硅制炊具和食品级硅胶可安全联系食品
• 太阳能电池板含有封装硅，不会造成暴露风险
• 玻璃制品（二氧化硅）可安全用于日常用途
快速回答
硅 (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a 类金属 in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.硅 melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of 硅 is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
硅 has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 硅 is about 2.3× heavier.
硅 has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
硅 was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
硅 makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.