Silicio

El Silicio: Propiedades, Obtención, Compuestos y Aplicaciones

1. Introducción al Silicio (Si)

El silicio, identificado en la tabla periódica con el símbolo Si y el número atómico 14, es un elemento químico de trascendental importancia tanto en el mundo natural como en el tecnológico.¹ Aunque su aislamiento fue atribuido al químico sueco Jöns Jacob Berzelius en 1824 ¹¹, su nombre, derivado del latín «silex» o «silicis» (pedernal), fue propuesto anteriormente por Sir Humphry Davy en 1808 durante sus intentos de aislarlo.³

Ubicado en el Grupo 14 (anteriormente IVA) y el Periodo 3 de la tabla periódica ¹, el silicio pertenece a la familia de los carbonoideos, compartiendo grupo con elementos como el carbono (C), germanio (Ge), estaño (Sn) y plomo (Pb).⁴ Esta posición le confiere propiedades intermedias que son clave para su comportamiento químico y físico.

Una de las características más notables del silicio es su extraordinaria abundancia. Es el segundo elemento más común en la corteza terrestre, superado únicamente por el oxígeno.¹ Constituye aproximadamente entre el 25.7% y el 28% de la masa de la corteza.¹ Su presencia no se limita a nuestro planeta; ocupa el octavo lugar en abundancia cósmica ² y se ha detectado en el Sol, estrellas y en meteoritos.³

Químicamente, el silicio se clasifica como un metaloide ², lo que significa que exhibe propiedades tanto de metales como de no metales.⁴ Esta naturaleza dual es fundamental para su versatilidad. En particular, su capacidad para actuar como semiconductor ¹ –un material cuya conductividad eléctrica puede ser controlada– lo convierte en la piedra angular de la industria electrónica moderna.¹ Es la base material para la fabricación de transistores, circuitos integrados y células solares, siendo indispensable en la era digital y en el desarrollo de energías renovables.²

A pesar de su inmensa abundancia geológica, el silicio raramente se encuentra en estado elemental puro en la naturaleza.² Su alta afinidad química, especialmente por el oxígeno ¹⁵, hace que exista predominantemente en forma de óxidos, principalmente dióxido de silicio (SiO2​) o sílice, y como silicatos, compuestos complejos que contienen silicio, oxígeno y otros metales.² Esta estabilidad química de sus compuestos naturales implica que la obtención de silicio puro, necesario para las aplicaciones tecnológicas, requiere procesos de extracción y purificación complejos y energéticamente costosos. La reducción del SiO2​ demanda altas temperaturas en hornos de arco eléctrico ¹, y alcanzar la pureza extrema requerida para la electrónica (niveles de impureza del orden de partes por billón) exige sofisticados métodos químicos como el proceso Siemens.⁴ Existe, por tanto, una interesante dualidad: un elemento extremadamente común requiere tecnología avanzada para ser aislado en una forma útil y pura.

La clasificación del silicio como metaloide ² es intrínseca a su rol tecnológico. Su propiedad semiconductora ¹ le permite modular el flujo de electricidad, a diferencia de los metales (siempre conductores) o los aislantes (no conductores). Esta conductividad controlable, a menudo ajustada mediante la adición intencionada de impurezas (proceso conocido como dopaje) ², es el principio operativo fundamental de los transistores, los interruptores electrónicos que forman la base de toda la microelectrónica.¹⁷ Así, su naturaleza metaloide es la que habilita directamente su función central en la tecnología.

2. Propiedades Físicas del Silicio

El silicio elemental es un sólido a temperatura ambiente y condiciones estándar ², y no presenta propiedades magnéticas.⁴ Se presenta en dos formas alotrópicas principales con propiedades distintas:

• Silicio Cristalino: Esta forma es la más estudiada y utilizada tecnológicamente. Se caracteriza por ser un material muy duro, frágil, de color gris oscuro con tonalidades azuladas y un distintivo brillo metálico.¹ Es químicamente menos reactivo que la forma amorfa ¹ y constituye la base material para la industria microelectrónica y fotovoltaica.¹ Puede presentarse como monocristalino (un único cristal grande y ordenado), policristalino (compuesto por múltiples cristales pequeños o granos) o microcristalino (cristales de tamaño nanométrico a micrométrico).¹
• Silicio Amorfo (a-Si): Se presenta como un polvo fino de color parduzco o grisáceo.¹ A diferencia del silicio cristalino, carece de un orden atómico a largo alcance.¹ Esta falta de estructura periódica le confiere propiedades eléctricas y ópticas diferentes y una mayor reactividad química.¹ Se utiliza en aplicaciones donde se requiere depositar capas delgadas de manera homogénea sobre diversas superficies, a menudo a temperaturas más bajas que las necesarias para el crecimiento cristalino ⁶, como en ciertos tipos de células solares de película delgada.

La diferencia entre estas dos formas no es meramente superficial. Radica en la disposición de los átomos. El silicio cristalino posee un ordenamiento atómico periódico y tridimensional, mientras que el silicio amorfo carece de esta regularidad a largo alcance.¹ Dado que las propiedades electrónicas y ópticas dependen críticamente de la estructura atómica y la resultante estructura de bandas electrónicas ¹, esta diferencia estructural tiene consecuencias directas. La falta de orden en el silicio amorfo introduce defectos y estados energéticos localizados que alteran la movilidad de los portadores de carga (electrones y huecos) y la absorción de la luz en comparación con el material cristalino.¹ Esto lo hace adecuado para aplicaciones como recubrimientos o células solares de bajo costo y flexibles ⁶, pero generalmente limita su eficiencia en aplicaciones que dependen de la alta perfección estructural y movilidad de portadores, como los microchips de alto rendimiento o las células solares de alta eficiencia.¹

El silicio cristalino adopta una estructura cúbica tipo diamante.² En esta red, cada átomo de silicio está unido covalentemente a otros cuatro átomos vecinos, dispuestos en los vértices de un tetraedro.⁹ Esta estructura tridimensional de enlaces fuertes y direccionales es la responsable directa de muchas de las propiedades físicas características del silicio. La energía necesaria para romper estos robustos enlaces covalentes explica los elevados puntos de fusión y ebullición del elemento.¹ La rigidez inherente a esta red tridimensional da cuenta de su gran dureza ¹ y también de su fragilidad ², ya que la estructura no permite el deslizamiento fácil de planos atómicos como ocurre en los metales dúctiles.

En cuanto a sus constantes físicas, la densidad del silicio es de aproximadamente 2.33 g/cm³ (o 2330 kg/m³).⁴ Su dureza se sitúa entre 6.5 y 7 en la escala de Mohs ¹, lo que le permite rayar el vidrio.¹ El punto de fusión se encuentra alrededor de 1410-1414 °C (1683-1687 K) ¹, mientras que el punto de ebullición es considerablemente más alto, en torno a 3265 °C (3538 K).¹

Quizás la propiedad física más definitoria del silicio, desde el punto de vista tecnológico, es su naturaleza semiconductora.¹ La estructura electrónica resultante de su red cristalina presenta una banda prohibida (band gap) de energía entre la banda de valencia (llena de electrones) y la banda de conducción (vacía). En estado puro y a bajas temperaturas, el silicio actúa como un aislante, ya que los electrones están confinados en los enlaces covalentes.¹ Sin embargo, si se le suministra suficiente energía (en forma de luz o calor), los electrones pueden ser excitados, saltar la banda prohibida y pasar a la banda de conducción, donde pueden moverse libremente y contribuir a la corriente eléctrica.¹ Este comportamiento dual –aislante o conductor según las condiciones– es la definición de semiconductor.¹

La conductividad eléctrica del silicio puro (intrínseco) es baja (valores reportados del orden de 2.5×10−4 a 4.35×10−4 S/m) ⁴, pero aumenta significativamente con la temperatura, un comportamiento característico de los semiconductores y opuesto al de los metales.¹⁶ De manera crucial, la conductividad puede ser controlada y aumentada en órdenes de magnitud mediante el dopaje, la introducción controlada de átomos de impureza (como Boro para tipo P o Fósforo para tipo N) en la red cristalina.² La unión entre un material tipo P y uno tipo N (unión P-N) forma la estructura básica de diodos y transistores.¹⁹ El silicio monocristalino también exhibe un efecto piezoeléctrico, donde la resistencia eléctrica cambia bajo presión mecánica.² Su conductividad térmica es moderada, alrededor de 148 W/(m·K).⁴

Ópticamente, el silicio cristalino presenta el brillo metálico ya mencionado.¹ Es relativamente opaco a la luz visible, pero tiene una alta transmitancia (superior al 95%) en la región infrarroja del espectro electromagnético.¹

Los isótopos naturales y estables del silicio son 28Si (el más abundante, ~92.23%), 29Si (~4.67%) y 30Si (~3.1%).⁴ Existe también un isótopo radiactivo de vida relativamente larga, 32Si, que decae por emisión beta con un periodo de semidesintegración de unos 132 años.⁴

Tabla 1: Resumen de Propiedades Físicas Clave del Silicio

3. Propiedades Químicas y Reactividad

La química del silicio está determinada en gran medida por su configuración electrónica y su posición en la tabla periódica. Su configuración electrónica es [Ne]3s23p2 ⁴, lo que significa que posee cuatro electrones en su capa de valencia (nivel n=3).² Al igual que el carbono, que se encuentra justo encima en el mismo grupo, el silicio tiende a formar cuatro enlaces covalentes para alcanzar una configuración electrónica estable.²

El estado de oxidación más común y estable del silicio en sus compuestos es +4 ⁴, como se observa en el dióxido de silicio (SiO2​) y los silicatos. Sin embargo, el silicio puede exhibir otros estados de oxidación, que van desde -4 hasta +4, aunque estos son generalmente menos estables en condiciones ambientales.¹⁰ Su óxido principal, SiO2​, se considera anfótero, aunque con un carácter predominantemente ácido.⁴

En su forma elemental, particularmente la cristalina, el silicio es relativamente inerte a temperatura ambiente.¹ Esta baja reactividad se atribuye, en parte, a la formación espontánea de una capa superficial muy delgada, continua y adherente de dióxido de silicio (SiO2​) cuando el material se expone al oxígeno o al aire.¹⁸ Esta capa de óxido actúa como una barrera protectora, pasivando la superficie e impidiendo una mayor reacción con muchos agentes químicos en condiciones normales. La reactividad del silicio, no obstante, aumenta considerablemente a temperaturas elevadas.¹⁵ La forma amorfa del silicio es intrínsecamente más reactiva que la cristalina.¹

La reacción con el oxígeno es un aspecto central de la química del silicio. Aunque la capa pasivante de SiO2​ protege al silicio a temperaturas moderadas, a temperaturas altas (por encima de 900 °C, y más rápidamente por encima de 1160 °C) el silicio reacciona con el oxígeno (O2​) para formar más dióxido de silicio.1 La reacción es:

Si(s)+O2​(g)→SiO2​(s) 37

La formación controlada de esta capa de SiO2​ mediante oxidación térmica es un paso fundamental y crítico en la fabricación de dispositivos microelectrónicos, donde sirve como capa aislante, dieléctrico de puerta y máscara de pasivación.17 A temperaturas aún más elevadas (superiores a 1400 °C), el silicio también puede reaccionar con el nitrógeno (N2​) presente en el aire para formar nitruros de silicio, como SiN y Si3​N4​.1

El silicio reacciona vigorosamente con los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo). Con el flúor (F2​), la reacción es espontánea a temperatura ambiente, mientras que con cloro (Cl2​), bromo (Br2​) y yodo (I2​) requiere calentamiento (típicamente por encima de 300-500 °C).1 Estas reacciones producen los correspondientes tetrahaluros de silicio: SiF4​, SiCl4​, SiBr4​ y SiI4​.1 Las reacciones generales son:

Si(s)+2X2​→SiX4​ (donde X = F, Cl, Br, I) 41

La reacción controlada del silicio con cloruro de hidrógeno (HCl) gaseoso a unos 300 °C es de gran importancia industrial, ya que forma triclorosilano (SiHCl3​), un intermediario clave en el proceso Siemens para la purificación del silicio.14

Frente a los ácidos, el silicio muestra una notable resistencia, siendo inerte a la mayoría de ellos en condiciones normales.1 La principal excepción es el ácido fluorhídrico (HF), especialmente en mezclas que contienen agentes oxidantes como el ácido nítrico (HNO3​) o cloro.1 El HF ataca y disuelve el silicio, formando aniones complejos estables como el hexafluorosilicato, 2−.10 Una reacción representativa es:

Si(s)+6HF(aq)→2−(aq)+2H+(aq)+2H2​(g) 41

A diferencia de su resistencia a los ácidos, el silicio es atacado por bases fuertes, como soluciones acuosas calientes de hidróxido de sodio (NaOH) o álcalis fundidos.1 En estas reacciones, el silicio se disuelve formando aniones silicato y liberando hidrógeno gaseoso (H2​). Una reacción simplificada es:

Si(s)+2OH−(aq)+H2​O(l)→SiO32−​(aq)+2H2​(g) (en solución alcalina caliente) 42

O con NaOH acuoso:

Si(s)+4NaOH(aq)→4−(aq)+4Na+(aq)+2H2​(g) 41

Un aspecto fundamental que diferencia la química del silicio de la del carbono es la relativa fortaleza de sus enlaces. El enlace silicio-oxígeno (Si-O) es excepcionalmente fuerte y estable (energía de enlace ~452 kJ/mol) ¹⁶, mucho más que el enlace carbono-oxígeno (C-O, ~358 kJ/mol).⁴⁰ Esta gran estabilidad termodinámica es una fuerza motriz clave en la química del silicio, explicando la ubicuidad de la sílice y los silicatos en la naturaleza ², la eficacia de la capa pasivante de SiO2​ ¹⁸, y la robustez de materiales como el vidrio, la cerámica y las siliconas.¹ El enlace Si-O es, en muchos sentidos, el protagonista de la química del silicio.

Por el contrario, el enlace silicio-silicio (Si-Si) es significativamente más débil (energía de enlace ~222-226 kJ/mol) que el enlace carbono-carbono (C-C, ~346-356 kJ/mol).³⁹ Esta debilidad se debe en parte al mayor tamaño del átomo de silicio y al solapamiento menos eficaz de sus orbitales 3p en comparación con los orbitales 2p del carbono.³⁹ Como consecuencia, la capacidad del silicio para la catenación (formación de cadenas de átomos del mismo elemento) es mucho más limitada que la del carbono.² Mientras que el carbono forma una infinidad de compuestos orgánicos basados en largas y estables cadenas C-C, los silanos (análogos a los alcanos, con enlaces Si-Si) son mucho menos numerosos, menos estables y generalmente de cadena corta. Además, la formación de enlaces múltiples estables (Si=Si, Si≡Si) es muy rara y energéticamente desfavorable para el silicio, en contraste con el carbono (regla del doble enlace).³⁹

Sin embargo, el silicio presenta una característica química que lo distingue notablemente del carbono: su capacidad para la hipervalencia. Debido a la disponibilidad de orbitales 3d de baja energía ³⁹, el silicio puede expandir su octeto de valencia y formar compuestos estables con números de coordinación 5 o 6, como los aniones SiX5−​ y SiF62−​.² El carbono, limitado a los orbitales 2s y 2p, típicamente no excede la coordinación 4.

Estas diferencias fundamentales –menor electronegatividad del Si (1.90 vs 2.55 del C) ⁴, enlace Si-Si débil limitando la catenación, enlace Si-O muy fuerte, y capacidad de hipervalencia– explican por qué no existe una «química orgánica del silicio» comparable a la del carbono. En cambio, la química del silicio está dominada por sus compuestos con oxígeno (sílice, silicatos), halógenos, y por polímeros inorgánicos como las siliconas, basados en la robusta cadena Si-O.

4. Obtención y Purificación del Silicio

Dada su alta reactividad, especialmente hacia el oxígeno, el silicio elemental no se encuentra en estado libre o nativo en la naturaleza.² En cambio, está ampliamente distribuido en forma combinada. Su forma más común es el dióxido de silicio (SiO2​), conocido genéricamente como sílice. La sílice se presenta en numerosas variedades minerales, tanto cristalinas como amorfas, incluyendo la arena común (principalmente cuarzo), el cuarzo en sus diversas formas (cristal de roca, amatista, citrino), ágata, jaspe, pedernal (sílex) y ópalo (sílice hidratada amorfa).²

Además de la sílice pura, el silicio forma una vasta familia de minerales conocidos como silicatos, en los que los tetraedros 4− se combinan con oxígeno y cationes metálicos como aluminio, calcio, magnesio, sodio, potasio o hierro.² Los silicatos son los componentes fundamentales de la gran mayoría de las rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, así como de los suelos y arcillas. Minerales comunes incluyen feldespatos (los más abundantes en la corteza), micas, piroxenos, anfíboles, olivino, granate, zircón, topacio, turmalina, caolinita (un tipo de arcilla) y talco.²

Producción de Silicio de Grado Metalúrgico (MG-Si)

El primer paso para obtener silicio elemental a escala industrial es la producción de silicio de grado metalúrgico (MG-Si, por sus siglas en inglés, Metallurgical Grade Silicon). Este proceso parte de una materia prima rica en sílice de alta pureza, generalmente cuarzo o cuarcita.⁴ El método empleado es la reducción carbotérmica, que se lleva a cabo en grandes hornos de arco eléctrico.¹

En este proceso, la sílice se mezcla con un agente reductor carbonoso, como carbón, coque o astillas de madera 4, y la mezcla se calienta a temperaturas extremadamente altas, típicamente por encima de 1900-2000 °C (algunas fuentes mencionan hasta 3000 °C).4 A estas temperaturas, el carbono reduce el dióxido de silicio a silicio elemental, mientras que el carbono se oxida a monóxido de carbono (CO), que escapa como gas. La reacción química fundamental es:

SiO2​(s)+2C(s)Δ​Si(l)+2CO(g) 1

En la práctica, la reacción puede ser más compleja, y a veces se utiliza un exceso de SiO2​ para minimizar la formación indeseada de carburo de silicio (SiC).14 El silicio fundido, que es más denso, se acumula en el fondo del horno, desde donde se extrae periódicamente y se deja enfriar y solidificar en lingotes.1 El producto resultante, el MG-Si, tiene una pureza típica del 98-99%.14 Este grado de silicio es adecuado para muchas aplicaciones metalúrgicas, como la fabricación de aleaciones de aluminio o ferrosilicio 25, pero es insuficientemente puro para la industria electrónica o fotovoltaica de alta eficiencia.26

Purificación a Grado Electrónico (EG-Si) y Grado Solar (SG-Si)

Las aplicaciones en microelectrónica y en células solares de alta eficiencia requieren silicio de una pureza extraordinariamente alta, conocido como silicio de grado electrónico (EG-Si, Electronic Grade Silicon) o, a veces, grado solar (SG-Si, Solar Grade Silicon). La pureza requerida es típicamente superior al 99.9999% (conocida como «seis nueves» o 6N), llegando incluso a niveles de 9N (99.9999999%) o superiores, lo que implica concentraciones de impurezas totales en el rango de partes por billón (ppb) o incluso partes por trillón (ppt).¹

Para alcanzar estos niveles de pureza, el MG-Si debe someterse a procesos de refinación química complejos y energéticamente intensivos. El método predominante a nivel mundial es el Proceso Siemens ²⁸:

1. Formación de Triclorosilano: El MG-Si se tritura hasta convertirlo en un polvo fino y se hace reaccionar con cloruro de hidrógeno (HCl) gaseoso anhidro a una temperatura de aproximadamente 300 °C, generalmente en un reactor de lecho fluidizado.¹⁴ Esta reacción produce triclorosilano (SiHCl3​), un compuesto líquido a temperatura ambiente y relativamente volátil (punto de ebullición ~33 °C), junto con hidrógeno gaseoso: Si(s)+3HCl(g)∼300°C​SiHCl3​(g)+H2​(g) ¹⁴
2. Purificación del Triclorosilano: El SiHCl3​ líquido contiene impurezas (procedentes del MG-Si y de la reacción) que tienen diferentes puntos de ebullición. Aprovechando esto, el SiHCl3​ se purifica mediante destilación fraccionada repetida en altas columnas de destilación.¹⁴ Este paso es crucial para eliminar impurezas metálicas y dopantes indeseados (como Boro, Fósforo, Arsénico).
3. Deposición de Silicio Policristalino: El SiHCl3​ ultrapuro y vaporizado se introduce, junto con hidrógeno (H2​) de alta pureza, en un reactor de deposición (reactor Siemens). Dentro del reactor, unos filamentos delgados de silicio puro (o a veces tántalo o tungsteno) se calientan eléctricamente a alta temperatura (alrededor de 1100-1200 °C).¹⁴ Sobre la superficie caliente de estos filamentos, el SiHCl3​ se descompone térmicamente (reacción de deposición química de vapor, CVD), depositando silicio elemental de muy alta pureza y regenerando HCl. La reacción principal (simplificada) es la inversa de la formación: SiHCl3​(g)+H2​(g)∼1100−1200°C​Si(s)↓+3HCl(g) ¹⁴ También ocurren reacciones secundarias que pueden formar tetracloruro de silicio (SiCl4​) como subproducto ⁴, el cual puede ser reciclado. El silicio depositado crece sobre los filamentos, formando barras gruesas de silicio policristalino de alta pureza (poli-Si).

Un método alternativo históricamente utilizado es el Método Dupont, que implica la reducción de tetracloruro de silicio (SiCl4​) con vapor de zinc (Zn) puro a 950°C:

SiCl4​(g)+2Zn(g)→Si(s)+2ZnCl2​(g) 1

Otro enfoque para la purificación, a veces utilizado como complemento o alternativa para ciertos niveles de pureza, es la Refinación por Zonas. En este método físico, una barra de silicio (generalmente MG-Si o parcialmente purificado) se pasa lentamente a través de una bobina de calentamiento por inducción que funde una pequeña sección transversal de la barra.³⁰ A medida que la barra avanza, la zona fundida se desplaza a lo largo de ella. Las impurezas tienden a ser más solubles en el silicio líquido que en el sólido, por lo que se segregan preferentemente en la zona fundida y son arrastradas hacia un extremo de la barra, dejando atrás silicio solidificado más puro.²⁸ Este proceso puede repetirse varias veces para aumentar la pureza.

La producción de silicio de alta pureza (EG-Si/SG-Si) mediante estos métodos, especialmente el proceso Siemens, es notablemente intensiva en energía debido a las altas temperaturas involucradas en la reducción inicial, la destilación y la deposición CVD, así como a los requerimientos energéticos para producir y manejar los reactivos químicos de alta pureza (HCl, H2​).²⁶ Este elevado consumo energético se traduce directamente en un costo significativo para el silicio de grado electrónico y solar, lo que impacta el precio final de los semiconductores y los paneles fotovoltaicos.²⁸ Esta dependencia energética impulsa la continua investigación y desarrollo de rutas de purificación alternativas que sean más eficientes y económicas, como las rutas metalúrgicas mejoradas que buscan eliminar impurezas del MG-Si mediante técnicas como la solidificación direccional, sin pasar por la conversión a silanos ²⁸, o la definición de un «grado solar» que pueda tolerar niveles de impureza ligeramente superiores a los del grado electrónico, reduciendo así los costos de purificación.²⁶

Crecimiento de Monocristales de Silicio

Para la fabricación de la mayoría de los circuitos integrados y para las células solares de mayor eficiencia, no basta con tener silicio policristalino de alta pureza. Se requiere un monocristal, es decir, un sólido donde toda la red atómica está perfectamente ordenada y orientada en una única dirección cristalográfica. Los dos métodos principales para cultivar estos grandes monocristales (lingotes) son el método Czochralski y el método de Zona Flotante.

• Método Czochralski (Cz): Es, con diferencia, el método más utilizado a nivel industrial para producir la mayoría del silicio monocristalino para electrónica y fotovoltaica.²⁰

• Se parte de silicio policristalino de alta pureza (obtenido por el proceso Siemens) que se funde en un crisol, generalmente hecho de cuarzo (SiO2​) de alta pureza, a una temperatura ligeramente superior al punto de fusión del silicio (aprox. 1420 °C).²⁰ La fusión se realiza en una atmósfera inerte (generalmente Argón) para prevenir la contaminación.²⁰ Durante la fusión, se pueden añadir cantidades precisas de elementos dopantes (como Boro para tipo P o Fósforo para tipo N) a la masa fundida para controlar las propiedades eléctricas del cristal resultante.²⁰
• Un pequeño cristal de silicio monocristalino, llamado «semilla», con la orientación cristalográfica deseada (p. ej.,  o ), montado en una varilla, se baja hasta tocar la superficie del silicio fundido.²⁰
• La semilla se levanta muy lentamente (velocidad de tracción controlada) mientras se hace girar simultáneamente (tanto la semilla como el crisol pueden girar).²⁰ A medida que la semilla se eleva, el silicio fundido adherido a ella se enfría y solidifica, replicando la estructura cristalina perfecta de la semilla.
• Controlando cuidadosamente la temperatura y las velocidades de tracción y rotación, se hace crecer un gran lingote cilíndrico de silicio monocristalino, que puede tener diámetros de hasta 300 mm (12 pulgadas) o incluso más, y longitudes de 1 a 2 metros.¹
• Una característica inherente al método Cz es la contaminación por oxígeno. El crisol de cuarzo (SiO2​) se disuelve lentamente en el silicio fundido a alta temperatura, introduciendo átomos de oxígeno en el cristal en concentraciones típicas de 1018 átomos/cm3.²⁰ Este oxígeno puede ser perjudicial, especialmente en silicio tipo P dopado con Boro utilizado en células solares, donde forma complejos B-O que degradan la vida útil de los portadores de carga bajo iluminación.⁵⁵ Sin embargo, el oxígeno también puede tener un efecto beneficioso: mediante tratamientos térmicos controlados (recocido), puede formar pequeños precipitados de SiOx​ en el interior del cristal que actúan como sitios de «gettering», atrapando impurezas metálicas móviles no deseadas y limpiando así la matriz de silicio circundante.²⁰ Esta presencia de oxígeno representa un compromiso intrínseco del método Cz.
• Existen variantes como el Czochralski Magnético (MCZ), donde se aplican campos magnéticos externos (transversales, longitudinales o de cúspide) durante el crecimiento para controlar mejor la convección del silicio fundido, reducir las fluctuaciones de temperatura y mejorar la uniformidad de la incorporación de dopantes y oxígeno.⁵⁶
• Método de Zona Flotante (FZ – Float Zone): Es un método alternativo que produce silicio monocristalino de pureza aún mayor, especialmente con concentraciones muy bajas de oxígeno y carbono, ya que no utiliza crisol.²⁹

• Se parte de una barra de silicio policristalino de alta pureza colocada verticalmente en una cámara con atmósfera inerte.
• Una bobina de radiofrecuencia (RF) se desplaza a lo largo de la barra, fundiendo una pequeña zona transversal. La tensión superficial mantiene la zona fundida suspendida («flotando») entre las partes sólida superior e inferior de la barra.²⁹
• Se utiliza una semilla monocristalina en el extremo inferior para iniciar el crecimiento. A medida que la zona fundida se desplaza lentamente hacia arriba, el silicio se solidifica en la interfaz inferior, replicando la estructura de la semilla y creciendo como monocristal, mientras que las impurezas se segregan en la zona fundida.²⁹
• El silicio FZ es más caro de producir y generalmente se limita a diámetros más pequeños que el Cz, pero su alta pureza lo hace preferible para aplicaciones específicas como dispositivos de alta potencia, detectores de radiación y como referencia de alta resistividad.

Una vez obtenidos los lingotes monocristalinos (o los bloques policristalinos), estos deben ser cortados en finas obleas (wafers), que son los sustratos sobre los que se fabricarán los chips o las células solares. Este corte se realiza típicamente con sierras de hilo de acero recubierto de diamante, generando discos delgados (espesores de 200-300 μm o menos).²² Posteriormente, las obleas se someten a procesos de lapeado, grabado químico y pulido para obtener superficies lisas, planas y libres de daños superficiales, listas para los siguientes pasos de fabricación del dispositivo.

Tabla 2: Comparación de Grados de Silicio

Esta tabla ilustra la compleja cadena de valor que transforma la arena o el cuarzo (SiO2​), una materia prima abundante y barata ², en materiales de silicio con niveles de pureza y perfección cristalina cada vez mayores, necesarios para las aplicaciones tecnológicas más exigentes.²⁰ Cada paso en esta cadena –desde la reducción inicial hasta la purificación química y el crecimiento de monocristales– implica procesos físicos y químicos sofisticados, intensivos en energía y capital ²⁶, subrayando la dependencia de la tecnología moderna de los avances en la ciencia e ingeniería de materiales.

5. Compuestos de Silicio Más Importantes

Además del silicio elemental, varios de sus compuestos desempeñan roles cruciales en la naturaleza y la tecnología. La química del silicio está fuertemente influenciada por la excepcional estabilidad del enlace Si-O.

Dióxido de Silicio (Sílice, SiO2​)

Es, con mucho, el compuesto de silicio más abundante y conocido.¹¹ Químicamente, es un óxido de silicio con la fórmula SiO2​.¹¹ Estructuralmente, la unidad básica consiste en un átomo de silicio unido tetraédricamente a cuatro átomos de oxígeno.⁴⁴ Estos tetraedros $$ se enlazan entre sí compartiendo vértices (átomos de oxígeno).

La sílice existe en numerosas formas polimórficas:

• Formas Cristalinas: Presentan un ordenamiento atómico tridimensional regular y periódico. Las más comunes son el cuarzo (la forma estable a temperatura y presión ambiente), la tridimita y la cristobalita (estables a temperaturas más altas).⁴⁴ El cuarzo y sus variedades (amatista, citrino, cristal de roca) son minerales muy comunes.³
• Formas Amorfas: Carecen de orden a largo alcance. Los tetraedros $$ están conectados de forma desordenada.¹¹ Ejemplos incluyen el vidrio de sílice (cuarzo fundido), el ópalo (que contiene agua estructural), el sílex (pedernal) y la tierra de diatomeas (restos fosilizados de algas).³ El vidrio común (soda-cal) es una sílice amorfa modificada con otros óxidos.

Propiedades de la Sílice: Es un sólido generalmente incoloro o blanco (aunque las impurezas pueden darle color, como en la amatista).¹⁷ Es químicamente muy estable e inerte frente a la mayoría de las sustancias químicas a temperatura ambiente.⁴⁴ Posee puntos de fusión y ebullición muy elevados (el cuarzo funde a ~1713 °C y hierve a ~2230 °C).⁴⁵ Es un material muy duro (el cuarzo tiene dureza 7 en la escala de Mohs).¹⁴ Actúa como un excelente aislante eléctrico y térmico.⁵³ Es prácticamente insoluble en agua y en la mayoría de los ácidos ¹⁷, con la notable excepción del ácido fluorhídrico (HF), que lo disuelve.¹⁴ También reacciona con bases fuertes o álcalis fundidos.¹⁴ El gel de sílice, una forma porosa y amorfa, tiene una gran área superficial y se utiliza como agente desecante (absorbe humedad).⁴⁵ La sílice nanoestructurada presenta propiedades particulares debido a su tamaño.⁵³ El cuarzo cristalino es transparente a la luz visible y ultravioleta.¹⁴

Usos de la Sílice: Sus aplicaciones son vastísimas. Es la materia prima principal para la fabricación de todo tipo de vidrio (ventanas, botellas, envases, cristalería, fibra de vidrio, fibra óptica para telecomunicaciones).¹ Es un componente esencial en cerámicas (ladrillos, tejas, azulejos, porcelana, loza sanitaria) ¹, cemento y hormigón.¹¹ Se utiliza en materiales refractarios por su resistencia al calor.⁴ En la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética, se emplea como agente antiaglomerante (E551), excipiente, espesante, y portador de sabores o fragancias.⁶ El gel de sílice se usa como desecante.⁴⁵ En electrónica, las capas delgadas de SiO2​ son cruciales como aislante eléctrico, dieléctrico en transistores y condensadores, y capa de pasivación en la superficie de los chips de silicio.¹⁷ El cuarzo se usa en óptica (lentes, prismas, ventanas UV, cubetas) y en osciladores por sus propiedades piezoeléctricas.¹⁴ Finalmente, es la fuente principal para la producción de silicio elemental.²⁴ La omnipresencia y la importancia crítica del SiO2​ en tantas tecnologías lo convierten en un material fundamental, aunque a menudo actúe de forma discreta. Es el «héroe anónimo» que posibilita muchas de las aplicaciones más visibles del silicio elemental y otros materiales.

Silicatos

Los silicatos constituyen la clase más grande y diversa de minerales, formando aproximadamente el 90-95% de la corteza terrestre.² Son sales que contienen silicio y oxígeno en forma de aniones, cuya unidad estructural fundamental es el tetraedro 4−.¹⁴ La enorme diversidad de los silicatos proviene de las diferentes maneras en que estos tetraedros pueden enlazarse entre sí, compartiendo uno, dos, tres o los cuatro átomos de oxígeno de sus vértices. Esto da lugar a distintas estructuras:

• Nesosilicatos: Tetraedros 4− aislados, unidos por cationes (ej. Olivino, Granate, Zircón, Topacio).⁵
• Sorosilicatos: Pares de tetraedros que comparten un oxígeno, formando el grupo 6− (ej. Epidota, Thortveitita).¹⁴
• Ciclosilicatos: Anillos cerrados de 3, 4 o 6 tetraedros (ej. Berilo, Turmalina).⁵
• Inosilicatos: Cadenas infinitas de tetraedros. Pueden ser cadenas simples (cada tetraedro comparte 2 oxígenos, ej. Piroxenos) o cadenas dobles (comparten alternativamente 2 y 3 oxígenos, ej. Anfíboles, Hornblenda).⁵
• Filosilicatos: Láminas u hojas infinitas de tetraedros, donde cada tetraedro comparte 3 oxígenos basales (ej. Micas, Arcillas como Caolinita, Talco, Pirofilita).⁵
• Tectosilicatos: Redes tridimensionales donde cada tetraedro comparte sus 4 oxígenos con tetraedros vecinos. La fórmula general es (SiO2​)n​. Incluyen las distintas formas de sílice (Cuarzo) y los Feldespatos (donde algunos Si son sustituidos por Al, requiriendo cationes adicionales como Na, K, Ca para compensar carga), y las Zeolitas (con estructuras porosas).⁵

Propiedades y Usos de los Silicatos: Como componentes principales de las rocas, los silicatos son generalmente duros, resistentes a la intemperie y a altas temperaturas, y químicamente estables e insolubles en agua.¹⁴ Sus propiedades específicas varían enormemente con la estructura. Las arcillas, por ejemplo, son plásticas cuando se humedecen y se endurecen al cocerlas.⁵⁴ Las zeolitas poseen canales y cavidades de tamaño molecular que las hacen útiles como catalizadores, adsorbentes (tamices moleculares) e intercambiadores iónicos.⁵ El silicato de sodio (Na2​SiO3​), conocido como «vidrio soluble» o «waterglass», es una excepción notable por ser soluble en agua; se utiliza como adhesivo (para papel, cartón), sellador (de cemento, cartón, grietas en motores), agente impermeabilizante, en la fabricación de detergentes y como precursor para geles de sílice.¹⁴

Las aplicaciones de los silicatos son omnipresentes: son la base de la industria del cemento Portland ⁴⁵, la cerámica (ladrillos, tejas, azulejos, gres, porcelana, sanitarios) ¹, y el vidrio.¹ Se emplean en materiales refractarios ⁴ y como aislantes térmicos y eléctricos.¹ Algunos minerales de silicato se utilizan como gemas (granate, topacio, berilo, turmalina, olivino/peridoto, zircón).⁵ También se usan como cargas minerales en plásticos y pinturas, y ciertos silicatos minerales pueden actuar como fertilizantes, aportando silicio esencial para el crecimiento y fortalecimiento de las paredes celulares de las plantas.² Recientemente, se investiga su uso como aditivos para mejorar las propiedades mecánicas y la durabilidad del concreto y el asfalto.⁵⁷

Carburo de Silicio (SiC)

El carburo de silicio es un compuesto sintético de silicio y carbono con la fórmula SiC.61 Fue descubierto accidentalmente por Edward G. Acheson en 1891 mientras intentaba sintetizar diamantes; él lo llamó «carborundum».62 Se produce industrialmente mediante el método Acheson, que consiste en calentar una mezcla de sílice (SiO2​) de alta pureza y una fuente de carbono (generalmente coque de petróleo) a temperaturas muy elevadas (entre 1800 °C y 2500 °C) en un horno de resistencia eléctrica.14 La reacción global es:

SiO2​(s)+3C(s)Δ​SiC(s)+2CO(g) 62

El SiC se forma como un lingote cilíndrico alrededor de un núcleo de grafito central. Puede presentar diferentes estructuras cristalinas (polimorfos), siendo las más comunes la forma cúbica (β-SiC, formada a temperaturas más bajas) y varias formas hexagonales y romboédricas (α-SiC, formadas a temperaturas más altas).62 Su color varía de negro a verde, dependiendo de las impurezas.61

Propiedades del SiC: Su característica más sobresaliente es su extrema dureza, con valores de 9.0-9.5 en la escala de Mohs y alrededor de 2500-2900 en las escalas Knoop/Vickers.⁴ Es uno de los materiales más duros conocidos, superado solo por el diamante y algunos otros compuestos sintéticos como el nitruro de boro cúbico. Además, posee una excelente resistencia a altas temperaturas, siendo estable térmicamente hasta unos 1400-1500 °C en presencia de aire (donde empieza a oxidarse lentamente formando SiO2​) y hasta más de 2000-2400 °C en atmósferas inertes.⁶² Tiene una alta conductividad térmica ⁶², un bajo coeficiente de expansión térmica y una buena resistencia al choque térmico.⁶² Es químicamente muy inerte, resistiendo el ataque de la mayoría de los ácidos y álcalis.⁶³ Aunque el SiC industrial puede tener impurezas que lo hagan semiconductor, el SiC purificado puede actuar como aislante eléctrico o, más comúnmente, como un semiconductor de banda prohibida ancha (wide-bandgap semiconductor), lo que le confiere propiedades interesantes para la electrónica de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura.⁶⁴

Usos del SiC: Debido a su dureza y resistencia al calor, el SiC es un material fundamental en varias áreas. Es uno de los abrasivos más importantes, utilizado en papel de lija, discos de corte, ruedas de amolar, polvos para lapeado y pulido.⁴ Se emplea extensamente en la fabricación de materiales refractarios de alto rendimiento, como ladrillos para hornos, crisoles, y componentes para la industria metalúrgica y cerámica.⁶¹ Sus propiedades mecánicas y térmicas lo hacen ideal para componentes cerámicos estructurales sometidos a condiciones severas, como sellos mecánicos, cojinetes, boquillas, partes de bombas y turbinas.¹⁶ Se utiliza como elemento calefactor en hornos eléctricos de alta temperatura. En electrónica, el SiC se está consolidando como un material clave para dispositivos de potencia (diodos, transistores MOSFET, tiristores) que operan a voltajes, temperaturas y frecuencias más altos que los dispositivos de silicio convencionales.⁶⁴ También se usa como aditivo en metalurgia ⁶³ y en la fabricación de chalecos antibalas ¹⁶ y espejos para telescopios. Se ha utilizado en láseres para generar luz azul (456 nm).⁴

Silanos

Los silanos son hidruros de silicio, análogos estructurales de los alcanos (hidrocarburos saturados), pero con silicio en lugar de carbono. El compuesto padre es el silano, SiH4​.¹⁸ Existen homólogos superiores (Si2​H6​ disilano, Si3​H8​ trisilano, etc.), pero la cadena Si-Si es mucho menos estable que la C-C, limitando la longitud y estabilidad de estos compuestos. También son importantes los halosilanos, donde uno o más hidrógenos son reemplazados por halógenos, como el triclorosilano (SiHCl3​) ¹⁴ y el tetracloruro de silicio (SiCl4​).¹⁸ Otro grupo relevante son los alcoxisilanos, que contienen enlaces Si-O-C, y los organosilanos, con enlaces Si-C.

Propiedades de los Silanos: El SiH4​ es un gas incoloro a temperatura ambiente, con un olor descrito como repulsivo.⁶⁶ Es extremadamente inflamable y pirofórico, lo que significa que puede encenderse espontáneamente al contacto con el aire, reaccionando vigorosamente con el oxígeno para formar SiO2​ y agua.¹⁶ Las mezclas de silano y aire son explosivas.⁶⁶ Es térmicamente inestable, descomponiéndose en silicio elemental e hidrógeno a temperaturas superiores a 400-500 °C.¹⁶ Es muy reactivo químicamente; se hidroliza (reacciona con agua) fácilmente, especialmente en condiciones básicas, para formar silanoles (compuestos con grupos Si-OH) e hidrógeno.⁴⁰ El triclorosilano (SiHCl3​) es un líquido volátil (p.e. 33 °C).¹⁴ En general, los silanos pueden actuar como agentes reductores. Su toxicidad aguda por inhalación es relativamente baja, pero pueden ser irritantes para las vías respiratorias, piel y ojos.⁶⁶ Los principales riesgos asociados a su manejo son la inflamabilidad y la explosividad.⁶⁵

Usos de los Silanos: A pesar de su reactividad y peligrosidad, los silanos son intermediarios químicos muy importantes. Su principal aplicación es como precursores para la obtención de silicio de alta pureza para la industria de semiconductores y fotovoltaica, mediante la descomposición térmica (pirólisis) de SiH4​ o SiHCl3​ (como en el proceso Siemens).¹⁴ También se utilizan en procesos de deposición química de vapor (CVD) para crear películas delgadas de dióxido de silicio (SiO2​), nitruro de silicio (Si3​N4​) o silicio amorfo sobre diversos sustratos, por ejemplo, en la industria del vidrio (parabrisas atérmicos) o en microelectrónica.⁶⁶ Ciertos organosilanos y alcoxisilanos funcionan como agentes de acoplamiento o promotores de adhesión; son moléculas bifuncionales que pueden formar enlaces químicos tanto con superficies inorgánicas (vidrio, metales, sílice) como con materiales orgánicos (polímeros, resinas), mejorando así la adhesión y la compatibilidad entre ellos en materiales compuestos, adhesivos y selladores.⁶⁵ También se emplean para modificar superficies, impartiendo propiedades como la repelencia al agua (hidrofobicidad).⁶⁵ Son precursores en la síntesis de compuestos de organosilicio, incluyendo las siliconas.¹⁸

Siliconas (Polisiloxanos)

Las siliconas son una clase única de polímeros sintéticos que combinan una estructura inorgánica con grupos orgánicos. Su esqueleto o cadena principal está formado por átomos de silicio y oxígeno alternados (…-Si-O-Si-O-…).¹ Cada átomo de silicio en la cadena está unido a dos grupos orgánicos, que suelen ser grupos metilo (−CH3​), aunque también pueden ser otros grupos como fenilo, vinilo, etc..²³ La estructura general se puede representar como n​, donde R es un grupo orgánico.

Dependiendo de la longitud de las cadenas poliméricas, la naturaleza de los grupos R y el grado de entrecruzamiento entre las cadenas, las siliconas pueden presentarse en diversas formas físicas ¹⁶:

• Fluidos o Aceites de Silicona: Cadenas lineales relativamente cortas. Son líquidos viscosos.
• Elastómeros o Cauchos de Silicona: Cadenas largas con algún grado de entrecruzamiento. Son materiales elásticos y flexibles. Pueden curar a temperatura ambiente (RTV – Room Temperature Vulcanizing) o requerir calor.
• Resinas de Silicona: Estructuras tridimensionales altamente entrecruzadas. Son sólidos más rígidos.

Propiedades de las Siliconas: Esta estructura química única les confiere un conjunto excepcional de propiedades:

• Estabilidad Térmica: Resisten un amplio rango de temperaturas, desde muy bajas (-60 °C o menos) hasta muy altas (250 °C o incluso más para grados especiales), manteniendo sus propiedades.⁴⁴
• Flexibilidad a Bajas Temperaturas: A diferencia de muchos polímeros orgánicos, no se vuelven quebradizas a bajas temperaturas.⁴⁹
• Resistencia Ambiental: Son muy resistentes a la intemperie, la radiación ultravioleta (UV), el ozono y la humedad.⁴⁹ No envejecen ni se degradan fácilmente bajo estas condiciones.
• Propiedades Dieléctricas: Son excelentes aislantes eléctricos.⁴⁴
• Inercia Química: Son químicamente muy poco reactivas e inertes frente a muchos productos químicos.⁴⁴
• Hidrofobicidad: Repelen el agua y forman juntas estancas.⁴⁴
• Baja Tensión Superficial: Se extienden fácilmente sobre superficies.
• Propiedades Antiadherentes y Antiespumantes: Útiles en moldes y como aditivos.⁵⁰
• Biocompatibilidad: Muchos grados de silicona son biocompatibles, no tóxicos, inodoros, insípidos y no favorecen el crecimiento microbiano, lo que los hace aptos para aplicaciones médicas, farmacéuticas y alimentarias.⁴⁹
• Otras: Buena resistencia a la compresión, permeabilidad a gases, facilidad de limpieza.⁴⁹

Usos de las Siliconas: Gracias a esta combinación única de propiedades, las siliconas encuentran aplicación en una enorme variedad de campos:

• Construcción y Automoción: Como selladores y adhesivos de alto rendimiento para juntas, ventanas, baños, cocinas; formadores de juntas en motores.² También como lubricantes y grasas resistentes a altas temperaturas.¹¹
• Industria Eléctrica y Electrónica: Como aislamiento para cables, encapsulantes para proteger componentes electrónicos del ambiente, la humedad y las vibraciones; fluidos dieléctricos.⁵⁰
• Aplicaciones Médicas y Quirúrgicas: Material de elección para implantes (mama, testiculares, faciales, articulaciones), prótesis (válvulas cardíacas, partes del cuerpo), catéteres, tubos para fluidos corporales, lentes de contacto blandas, apósitos y vendajes avanzados, componentes de equipos médicos, lubricantes quirúrgicos, material de impresión dental, chupetes y mordedores para bebés.² La silicona de grado médico debe cumplir normativas estrictas de biocompatibilidad (ej. ISO 10993).⁷⁰
• Cocina y Hogar: Moldes para hornear y congelar, espátulas, manoplas resistentes al calor, tapones, juntas para ollas a presión.¹¹
• Cosmética y Cuidado Personal: Se utilizan en cremas, lociones, maquillaje, productos para el cabello (champús, acondicionadores, serums) para aportar suavidad, brillo, formar una película protectora no grasa y mejorar la extensibilidad.⁶
• Industria: Como antiespumantes en procesos industriales y alimentarios, agentes desmoldeantes, fluidos hidráulicos, recubrimientos protectores e impermeabilizantes.⁵⁰
• Otros: Ceras y pulimentos, aditivos para pinturas, lubricantes personales, juguetes (pelotas saltarinas, juguetes sexuales), copas menstruales.⁵⁰

La diversidad estructural inherente a los compuestos de silicio –desde las redes rígidas y fuertes de SiC y SiO2​, pasando por la variedad de estructuras de los silicatos, hasta las cadenas flexibles Si-O de las siliconas y las pequeñas moléculas reactivas de los silanos– es directamente responsable de la vasta gama de propiedades físicas y químicas observadas. Esta diversidad funcional permite que los compuestos de silicio se utilicen en aplicaciones tan dispares como abrasivos de extrema dureza, aislantes térmicos y eléctricos, materiales transparentes para óptica, polímeros flexibles y biocompatibles, y semiconductores controlables. Cada tipo de estructura y enlace dominante (Si-C, Si-O, Si-H, Si-Si) da lugar a un conjunto único de características que habilitan nichos de aplicación específicos.

6. Aplicaciones Principales del Silicio y sus Compuestos

El silicio, tanto en su forma elemental como en sus diversos compuestos, es un material habilitador clave para una multitud de tecnologías que definen nuestra vida moderna.

Industria Electrónica (Semiconductores)

El silicio elemental de alta pureza es el material semiconductor por excelencia y la base indiscutible de la industria electrónica moderna.¹ Prácticamente todos los dispositivos semiconductores complejos se fabrican sobre obleas de silicio monocristalino. Sus principales aplicaciones incluyen:

• Transistores: Especialmente los transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), que actúan como interruptores electrónicos y son los componentes básicos de los circuitos digitales.¹⁷
• Circuitos Integrados (ICs o Chips): Contienen millones o miles de millones de transistores y otros componentes interconectados sobre un único chip de silicio, formando microprocesadores, microcontroladores, etc..⁷
• Diodos: Utilizados para rectificación de corriente, regulación de voltaje y detección de señales.¹⁷
• Memorias: Para el almacenamiento de datos, como las memorias DRAM (Dynamic Random-Access Memory), SRAM (Static RAM) y memorias Flash.¹⁷
• Otros: Sensores, amplificadores, circuitos lógicos, reguladores de voltaje.¹⁷

La preeminencia del silicio en electrónica se debe a una combinación de factores: es abundante y relativamente barato de obtener como materia prima (SiO2​) ¹⁷; posee excelentes propiedades semiconductoras intrínsecas que pueden ser controladas con precisión mediante dopaje ²; y, crucialmente, permite la formación de una capa de óxido nativo (SiO2​) de altísima calidad, estable y con excelentes propiedades dieléctricas, que es fundamental para la tecnología MOS.¹⁷ Esta sinergia entre el silicio semiconductor y su óxido aislante es una de las claves de su éxito.

Energía Solar Fotovoltaica (PV)

El silicio es también el material dominante en la industria de la energía solar fotovoltaica, utilizándose para fabricar las células solares que convierten la luz solar directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico.¹ Las principales tecnologías de células solares basadas en silicio son:

• Silicio Monocristalino (mono-Si): Fabricadas a partir de obleas cortadas de lingotes Czochralski.²⁰ Ofrecen la mayor eficiencia de conversión (típicamente 18-25% a nivel comercial), pero también tienen un costo de producción más elevado.²² Se reconocen por su color oscuro y uniforme y, a menudo, por sus esquinas recortadas.²²
• Silicio Policristalino (poli-Si o multi-Si): Se fabrican solidificando silicio fundido en moldes cuadrados, lo que resulta en una estructura con múltiples granos cristalinos.²² Su proceso de fabricación es más simple y económico, pero su eficiencia es ligeramente inferior (típicamente 16-20%) debido a las pérdidas en los límites de grano.²² Tienen un aspecto característico azulado con patrones de cristales visibles.²²
• Silicio Amorfo (a-Si): Se deposita como una película delgada sobre un sustrato (vidrio, plástico, metal), lo que permite fabricar paneles flexibles o integrados arquitectónicamente.³⁴ Su eficiencia es considerablemente menor (6-8%), pero su costo por área puede ser más bajo y funciona mejor en condiciones de baja luminosidad.³⁴

Además de estas tres categorías principales, existen tecnologías más avanzadas que buscan mejorar la eficiencia de las células de silicio, como PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), células tipo N (que usan dopaje con fósforo en lugar de boro, evitando problemas de degradación por B-O), IBC (Interdigitated Back Contact, con todos los contactos en la parte trasera para eliminar sombreado frontal), HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer, que combina silicio cristalino con capas de silicio amorfo) y células partidas (que reducen las pérdidas resistivas).⁷³

Metalurgia (Aleaciones)

El silicio de grado metalúrgico (MG-Si) es un importante elemento de aleación.¹

• Aleaciones de Aluminio-Silicio: La adición de silicio al aluminio (formando aleaciones como el AlSi, a menudo llamadas «silumin») mejora significativamente su fluidez en estado fundido (colabilidad), lo que facilita la producción de piezas complejas por fundición. También aumenta la resistencia mecánica, la dureza y la resistencia al desgaste del aluminio.²⁵ Son ampliamente utilizadas en la industria automotriz (pistones, bloques de motor).
• Ferrosilicio (FeSi): Una aleación de hierro y silicio, producida directamente en hornos de arco.²⁶ Es un aditivo fundamental en la industria siderúrgica, donde se utiliza como desoxidante (para eliminar oxígeno del acero fundido) y como elemento de aleación para mejorar propiedades como la resistencia eléctrica (aceros eléctricos para transformadores) y la resistencia a la corrosión.¹⁸
• Otras Aleaciones: El silicio también se añade en pequeñas cantidades a aleaciones de cobre como latones y bronces para mejorar su resistencia y maquinabilidad.²⁵

Materiales de Construcción

El silicio, principalmente a través de sus compuestos SiO2​ y silicatos, es omnipresente en los materiales de construcción:

• Vidrio: La arena de sílice (SiO2​) es el componente principal del vidrio común (soda-cal) usado en ventanas, botellas y envases. Vidrios especiales como el borosilicato (Pyrex) o el vidrio de cuarzo también se basan en sílice.¹ La fibra de vidrio, usada como aislante y refuerzo, también es un material silíceo.⁵⁸
• Cemento y Hormigón: El cemento Portland, el aglomerante clave del hormigón, se produce a partir de materias primas ricas en silicatos de calcio.¹¹ La arena y la grava (principalmente SiO2​ y silicatos) son los agregados que forman la mayor parte del volumen del hormigón. Aditivos como el humo de sílice (sílice amorfa muy fina) o silicatos solubles pueden mejorar la resistencia y durabilidad del hormigón.⁵⁷
• Cerámica: Las arcillas (silicatos de aluminio hidratados) son la materia prima para una amplia gama de productos cerámicos estructurales y de revestimiento, como ladrillos, tejas, azulejos, gres, porcelana y sanitarios.¹
• Materiales Refractarios: La sílice, ciertos silicatos (como la andalucita o la pirofilita ⁵⁴) y el carburo de silicio se utilizan para fabricar materiales capaces de resistir altas temperaturas en hornos, crisoles, etc..⁴
• Selladores: Las siliconas se usan extensamente como selladores elásticos e impermeables para juntas en edificios, ventanas, baños, etc..⁴⁹

Industria Química

El silicio y sus compuestos son importantes tanto como productos finales como intermediarios:

• Siliconas: La producción de polímeros de silicona es una industria química importante, generando una amplia gama de fluidos, elastómeros y resinas con múltiples usos.¹
• Silanos: Se producen como intermediarios para la purificación de silicio, la deposición de películas y como agentes de acoplamiento y modificadores de superficie.¹⁸
• Gel de Sílice: Utilizado como desecante, adsorbente y soporte en cromatografía.⁴⁵
• Zeolitas: Aluminosilicatos cristalinos microporosos con importantes aplicaciones como catalizadores (especialmente en refino de petróleo y petroquímica), adsorbentes (tamices moleculares para separación de gases) e intercambiadores iónicos (en detergentes).⁵

Aplicaciones Médicas y Biomédicas

Las siliconas de grado médico son ampliamente utilizadas debido a su excelente biocompatibilidad, estabilidad química, durabilidad, flexibilidad y facilidad de esterilización.¹¹ Sus usos incluyen:

• Implantes: Mamarios, testiculares, pectorales, faciales, de articulaciones, lentes intraoculares.¹²
• Prótesis: Válvulas cardíacas, revestimientos de prótesis externas.⁵⁰
• Dispositivos Médicos: Catéteres, tubos de drenaje, tubos para administración de fluidos o extracción de sangre, componentes de equipos de diálisis o respiración asistida.⁷¹
• Cuidado de Heridas: Apósitos y vendajes de silicona que son suaves, no adherentes y permiten el intercambio gaseoso.⁵⁰
• Otros: Lentes de contacto, sellos y juntas para equipos médicos, material de impresión dental, plantillas ortopédicas, colchones antiescaras, chupetes y mordedores para bebés.¹²

Óptica y Fotónica

• Fibra Óptica: La sílice de ultra alta pureza es el material base para las fibras ópticas utilizadas en las telecomunicaciones modernas, permitiendo la transmisión de datos a larga distancia con bajas pérdidas.⁴⁶
• Componentes Ópticos: El vidrio de cuarzo (sílice fundida) se utiliza para fabricar lentes, ventanas, prismas y otros componentes ópticos que requieren alta transparencia (especialmente en el UV), resistencia térmica y química.¹⁴
• Detectores y Transmisión IR: El silicio elemental es transparente a la radiación infrarroja y se utiliza en ventanas y lentes para aplicaciones IR.¹

Abrasivos y Refractarios

• Carburo de Silicio (SiC): Su extrema dureza lo convierte en un abrasivo de primer orden para cortar, amolar y pulir materiales duros.⁴
• Sílice y Silicatos: Se utilizan en la fabricación de materiales refractarios para revestir hornos y contener materiales a altas temperaturas.⁴

Otras Aplicaciones Diversas

• Cosméticos: Las siliconas y la sílice se añaden a productos cosméticos para mejorar la textura, la apariencia, la extensibilidad y proporcionar efectos matificantes o de relleno.⁶
• Agricultura: Ciertos silicatos minerales se utilizan como fertilizantes para aportar silicio a los cultivos, mejorando su resistencia estructural y a estreses.²
• Monóxido de Silicio (SiO): Se utiliza en recubrimientos protectores para materiales, formando una capa superficial de SiO2​ por oxidación.⁴

Esta amplia gama de aplicaciones demuestra la versatilidad del silicio y sus compuestos, derivada directamente de la diversidad de sus estructuras y propiedades químicas y físicas.

7. Conclusión

El silicio (Si) emerge como un elemento de extraordinaria dualidad e importancia fundamental. Clasificado como metaloide y situado en el Grupo 14 de la tabla periódica, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, formando la base de gran parte del mundo mineral a través del dióxido de silicio (SiO2​) y una vasta familia de silicatos. A pesar de su abundancia natural en forma combinada, la obtención de silicio elemental de alta pureza, indispensable para la tecnología moderna, requiere procesos industriales complejos y energéticamente intensivos, destacando la transformación desde un mineral común hasta un material de precisión atómica.

Sus propiedades físicas son clave para su utilidad: su estado sólido, dureza, altos puntos de fusión y ebullición, y, sobre todo, su naturaleza semiconductora intrínseca, cuya conductividad puede ser finamente controlada mediante dopaje. Químicamente, aunque relativamente inerte a temperatura ambiente gracias a una capa pasivante de óxido, reacciona con halógenos, bases y oxígeno a altas temperaturas. El enlace Si-O, de excepcional fortaleza, domina su química, explicando la estabilidad de la sílice, los silicatos y las siliconas, mientras que el enlace Si-Si, más débil que el C-C, limita la catenación pero permite la formación de polímeros como las siliconas y compuestos hipervalentes.

Los compuestos de silicio –la omnipresente sílice (SiO2​), la diversa familia de silicatos, el ultraduro carburo de silicio (SiC), los reactivos silanos y los versátiles polímeros de silicona– exhiben una amplia gama de propiedades que habilitan innumerables aplicaciones. Desde la arena que forma el vidrio y el hormigón, hasta el silicio ultrapuro que impulsa la revolución electrónica y la energía solar fotovoltaica; desde las cerámicas resistentes al calor hasta las siliconas biocompatibles utilizadas en medicina; el silicio y sus derivados son materiales insustituibles en casi todos los aspectos de la tecnología y la industria contemporáneas.

El silicio es, por tanto, mucho más que un simple elemento químico. Es un pilar geológico de nuestro planeta y, simultáneamente, el material que ha definido la era de la información y que juega un papel crucial en la transición hacia energías más sostenibles. La continua investigación busca optimizar su uso, mejorando la eficiencia de los dispositivos electrónicos y solares, desarrollando nuevos materiales basados en silicio con propiedades avanzadas, y encontrando métodos de producción más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, asegurando que el silicio siga siendo un protagonista clave en el progreso tecnológico futuro.

Obras citadas

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