Introduction
De symbole Si et de numéro atomique 14, le silicium est un élément chimique essentiel qui relie le monde minéral au monde technologique. S'il est omniprésent sous forme de silice (sable, quartz) et de silicates dans les roches, sa forme ultra-pure, dopée avec précision, a révolutionné la société moderne en devenant le cœur des dispositifs électroniques. Il incarne ainsi parfaitement la transition d'un matériau abondant dans la nature à un matériau critique pour la haute technologie.
Description
Le silicium est un élément du groupe 14 (groupe du carbone) du tableau périodique. C'est un métalloïde, présentant des propriétés intermédiaires entre les métaux et les non-métaux. À l'état solide, il a une structure cristalline de type diamant, similaire au carbone, ce qui lui confère une grande dureté et un point de fusion élevé (1414 °C). Dans la nature, il n'existe pratiquement jamais à l'état natif ; il est toujours combiné à l'oxygène, formant la silice (SiO2) ou divers silicates qui constituent l'essentiel des minéraux des roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires. Le silicium est obtenu industriellement par réduction de la silice par le carbone dans des fours à arc électrique, produisant du silicium métallurgique (98-99% pur). Pour les applications électroniques, il est ensuite purifié à un niveau extrême (moins d'une impureté par milliard d'atomes) par le procédé Siemens, aboutissant à des monocristaux cylindriques (lingots) qui sont ensuite découpés en fines tranches (wafers).
Histoire
Les composés du silicium, comme les silex et l'obsidienne, sont utilisés depuis la préhistoire pour fabriquer des outils. Les verres à base de silice sont produits depuis l'Antiquité. L'élément lui-même fut isolé pour la première fois en 1824 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius, qui réduisit le tétrafluorure de silicium par le potassium. Le nom dérive du latin 'silex' (caillou, silex). Pendant plus d'un siècle, le silicium fut principalement utilisé dans les alliages (fonte, aluminium) et les silicones. La révolution survint en 1947 avec l'invention du transistor au germanium aux Bell Labs, rapidement supplanté par le transistor au silicium en 1954, plus stable à température ambiante. L'intégration de milliers, puis de milliards de ces transistors sur une même puce de silicium (circuit intégré) par Jack Kilby et Robert Noyce à la fin des années 1950 marqua le début de l'ère de la microélectronique et de la révolution numérique.
Caracteristiques
Principales caractéristiques : Numéro atomique : 14. Masse atomique : 28,0855 u. Configuration électronique : [Ne] 3s² 3p², lui permettant de former quatre liaisons covalentes. Semi-conducteur intrinsèque : sa conductivité électrique est faible à l'état pur mais peut être augmentée de manière contrôlée par dopage (ajout d'atomes comme le bore pour créer des trous, type P, ou le phosphore pour créer des électrons libres, type N). La jonction P-N est la structure de base des diodes et transistors. Il est relativement inerte chimiquement, résistant aux acides, mais réagit avec les bases fortes et les halogènes. Il forme un oxyde stable (SiO2) qui est un excellent isolant électrique et peut être produit avec une grande pureté à la surface des wafers, jouant un rôle crucial dans la fabrication des circuits intégrés (technologie MOS).
Importance
L'importance du silicium est double, à la fois géologique et technologique. Géologiquement, il est le constituant majeur de la croûte terrestre (environ 28% en masse), façonnant les paysages et les sols. Technologiquement, il est le matériau fondamental de l'industrie des semi-conducteurs, supportant toute l'informatique, les télécommunications, l'automobile moderne et les appareils domestiques. Les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin dominent le marché de l'énergie solaire. Il est également crucial dans la métallurgie (composant des alliages d'aluminium et de fer), la chimie (silicones, gels de silice) et la construction (ciment, verre, briques). La 'Vallée du Silicium' (Silicon Valley) en Californie symbolise l'épicentre mondial de cette innovation. La demande croissante en puces toujours plus performantes et en énergie renouvelable fait du silicium de qualité électronique et solaire une ressource stratégique au cœur des enjeux géopolitiques et de la transition énergétique.
