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Silicium

 

[zu lateinisch silex, silicis »Kiesel«] das, -s, Silizium, chemisches Symbol Si, ein chemisches Element aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente. Reines Silicium bildet dunkelgraue, glänzende, harte und spröde Kristalle mit Diamantstruktur; in dünnen Schichten ist es durchsichtig; in fein verteilter Form bildet Silicium ein mikrokristallines braunes Pulver. Reinstes Silicium ist ein elektrischer Halbleiter; seine Leitfähigkeit wird durch geringe Zusätze von Elementen der dritten oder fünften Gruppe stark erhöht. Beim Schmelzen verringert Silicium sein Volumen um 10 %; die Schmelze hat weitgehend metallische Eigenschaften und leitet Elektronen wesentlich besser als das feste Silicium. Chemisch ist Silicium nicht sehr reaktionsfähig; kompaktes Silicium wird z. B. von Säuren nicht angegriffen, mit Alkalilaugen reagiert es aber unter Wasserstoffentwicklung zu Silikaten. Mit zahlreichen Elementen verbindet sich Silicium erst bei starkem Erhitzen, z. B. mit Sauerstoff zu Siliciumdioxid, SiO₂, mit Stickstoff zu Siliciumnitrid, Si₃N₄, und mit Kohlenstoff zu Siliciumcarbid, SiC. Mit Metallen verbindet oder legiert es sich zu den Siliciden.

 

Vorkommen:

 

Silicium ist mit 25,8 % nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, es kommt aber nur gebunden als Siliciumdioxid (v. a. als Quarz) oder in den Silikaten vor. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Silicium haben Quarz und Quarzit Bedeutung.

 

Unter den Pflanzen sind besonders siliciumreich Kieselalgen, Farne, Schachtelhalme und Gräser; bei ihnen dient Silicium in Form von Kieselsäure zur Festigung des Gewebes. In höheren tierischen Organismen ist Silicium, ebenfalls in Form von Kieselsäure, enthalten in Haut, Haaren, Knochen und Knorpeln; daneben findet sich Silicium auch im Skelett z. B. der Radiolarien und Schwämme.

 

Gewinnung:

 

Technisch wird Silicium durch Reduktion von Quarz, SiO₂, mit Kohle, C, in elektrischen Öfen (Lichtbogenöfen) bei Temperaturen um 2 000 ºC erzeugt; daneben ist auch die aluminothermische Reduktion bekannt:

 

 

Das bei diesen Verfahren gewonnene Produkt enthält neben 96-99 % Silicium noch zahlreiche Verunreinigungen, meist v. a. Eisen und Aluminium, daneben geringere Mengen an Calcium, Chrom, Magnesium, Mangan und Titan. Für die Weiterverarbeitung zu reinem Silicium für die Halbleitertechnik wurden mehrere aufwendige, über zahlreiche Einzelschritte verlaufende Prozesse zur Entfernung der Nebenbestandteile entwickelt. Hochreines Silicium erhält man durch Reduktion von (vorgereinigten) Chlorsilanen wie Trichlorsilan, SiHCl₃, oder von Siliciumtetrachlorid, SiCl₄, mit Wasserstoff, durch thermische Zersetzung oder andere Verfahren; meist wird das so gewonnene Silicium anschließend durch Zonenschmelzen nachgereinigt.

 

Verwendung:

 

Da Silicium die Fähigkeit hat, in geschmolzenen Metallen gelösten oder gebundenen Sauerstoff zu Siliciumdioxid zu binden, wird technisches Silicium v. a. in der Metallurgie als Desoxidationsmittel verwendet. Vielfach stellt man durch gemeinsame Reduktion von Quarz und Eisenoxiden eine Vorlegierung (Ferrosilicium, Ferrolegierungen) her, die auch als Desoxidationsmittel gebraucht wird. In der chemischen Industrie dient Silicium als Ausgangsmaterial v. a. für die Herstellung von Siliciumverbindungen, die zu Siliconen verarbeitet werden.

 

In der Halbleitertechnologie hat sich Silicium zum derzeit wichtigsten Material der gesamten Halbleitertechnik und Mikroelektronik entwickelt (über 90 % Anteil an allen Halbleiterbauelementen). Voraussetzung für den Erfolg des Siliciums war die Entwicklung von Methoden zur Herstellung großer Einkristalle hoher Reinheit. Man ist in der Lage, über 15 kg schwere Kristalle mit nahezu perfektem Kristallbau zu züchten, bei denen auf eine Milliarde Siliciumatome höchstens ein Fremdatom kommt. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials wird durch anschließende Dotierung mit Fremdatomen (besonders Bor oder Phosphor) gezielt eingestellt, wobei mit den zur Verfügung stehenden Technologien der Leitfähigkeitstyp (n- oder p-Leitung) über Bereiche mit Dimensionen von etwa 1 μm kontrolliert verändert werden kann.

 

Der wesentliche Vorzug des Siliciums gegenüber anderen Halbleitersubstanzen ist die hohe chemische Stabilität des Siliciumdioxids, SiO₂, das sich beim Erhitzen in oxidierender Atmosphäre auf den Siliciumoberflächen bildet. Dieses SiO₂ schützt die p-n-Übergänge und andere empfindliche Bereiche der integrierten Schaltungen. Außerdem ermöglicht es die einfache Herstellung der Masken für die feinen geometrischen Strukturen der Schaltkreise mithilfe der Lithographie und die selektive Dotierung von eng benachbarten Bereichen, da es leicht ätzbar ist. In den Bauelementen übernimmt es die Funktion als isolierendes Substrat zur potenzialmäßigen Trennung der Einzelkomponenten oder wird als dielektrische Schicht im Gate von MOS-Bausteinen verwendet. Da für die mehr als 100 Prozessschritte von der Kristallzüchtung bis zum funktionsfähigen Siliciumschaltkreis ausgereifte Herstellungstechnologien und -apparate entwickelt worden sind, ist der wirtschaftliche und technische Vorsprung heute so groß, dass die Marktchancen für andere Halbleiter gering sind.

 

Silicium wurde 1823 von J. J. von Berzelius durch Umsetzen von Siliciumtetrafluorid mit Kalium als Element isoliert und 1854 von H. É. Sainte-Claire Deville durch Schmelzflusselektrolyse in reiner Form dargestellt und untersucht.

Silicium

 

[engl. silicon] (Silizium), chemisches Element, das aufgrund seiner Halbleitereigenschaften (Halbleiter) die Grundsubstanz für zahlreiche elektronische Bauelemente bildet, etwa für Transistoren, Dioden und Chips.

 

Silicium ist mit 25,8 % nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, es kommt aber nur gebunden vor: als Siliciumdioxid, v. a. als Quarz (Bestandteil von Sand). Reines Silicium bildet dunkelgraue, glänzende, harte und spröde Kristalle mit Diamantstruktur; in dünnen Schichten ist es durchsichtig; in fein verteilter Form bildet Silicium ein mikrokristallines Pulver. Silicium ist ein Halbleiter. Zur Herstellung von Halbleiterbausteinen muss es aufbereitet werden. Dazu wird dem Silicium eine weitere Substanz beigemischt, deren Atome in das Siliciumkristallgitter eingebaut werden und dessen Leitfähigkeit in der gewünschten Weise verändern (Dotierung).

 

In der Halbleitertechnik und Mikroelektronik hat sich Silicium zum derzeit wichtigsten Material entwickelt (über 90 % Anteil an allen Halbleiterbauelementen). Voraussetzung für den Erfolg des Siliciums war die Entwicklung von Methoden zur Herstellung großer Einkristalle hoher Reinheit. Man ist in der Lage, über 15 kg schwere Kristalle mit nahezu perfektem Kristallbau zu züchten, bei denen auf eine Milliarde Siliciumatome höchstens ein Fremdatom kommt. Die wesentlichen Vorzüge des Siliciums gegenüber anderen Halbleitersubstanzen sind die günstige Gewinnung und Herstellung sowie die vorteilhafte Kombination mit Siliciumdioxid, das auf Siliciumoberflächen abgeschieden wird (Chip-Herstellung). Inzwischen werden bestimmte Solarzellen und Sensoren statt mit Siliciumeinkristallen mit amorphem Silicium hergestellt.

 

Das nach Silicium bedeutendste Halbleitermaterial ist kristallines Galliumarsenid in Diamantstruktur. Trotz teilweise günstigerer Eigenschaften wird aber anderen Halbleitern als Silicium nur ein Nischendasein zugetraut, da der technische und wirtschaftliche Vorsprung für Siliciumprodukte einfach zu groß erscheint. Mehr als 100 ausgereifte Prozessschritte von der Kristallzüchtung bis zum funktionsfähigen Siliciumschaltkreis wurden entwickelt.