Silicium (Si) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Silicium steckt in Sand, Gesteinen, Glas und den winzigen Mikrochips moderner Computer. Kaum ein anderes chemisches Element verbindet die Welt der Geologie so unmittelbar mit der digitalen Technik. Als zweithäufigstes Element der Erdkruste ist Silicium in gewaltigen Mengen vorhanden. Dennoch ist die Herstellung des hochreinen Siliciums, das für Computerprozessoren und leistungsfähige Solarzellen benötigt wird, technisch aufwendig. Besonders faszinierend ist seine Eigenschaft als Halbleiter: Durch gezielte Veränderungen seiner elektrischen Eigenschaften lassen sich elektronische Bauelemente herstellen, auf denen ein großer Teil unserer heutigen Technologie beruht.

Silicium im Periodensystem – die wichtigsten Elementdaten

Silicium steht in der dritten Periode und der 14. Gruppe des Periodensystems. Es besitzt 14 Protonen und im elektrisch neutralen Zustand 14 Elektronen. Vier Elektronen befinden sich in seiner äußersten Schale. Diese vier Valenzelektronen erklären, warum Silicium besonders häufig vier kovalente Bindungen ausbildet.

Was ist Silicium?

Silicium ist ein dunkelgrauer, metallisch glänzender und spröder Feststoff. Obwohl es äußerlich an ein Metall erinnert, besitzt es Eigenschaften, die zwischen denen typischer Metalle und Nichtmetalle liegen. Deshalb wird es als Halbmetall eingeordnet.

Im festen Zustand bilden die Siliciumatome ein regelmäßiges Kristallgitter. Jedes Atom ist über kovalente Bindungen mit vier benachbarten Siliciumatomen verbunden. Die räumliche Anordnung entspricht der Diamantstruktur, die auch bei einer Modifikation des Kohlenstoffs vorkommt.

Diese Bindungsstruktur erklärt die Härte und Sprödigkeit des kristallinen Materials. Anders als viele Metalle lässt sich reines Silicium nicht einfach zu dünnen Blechen walzen oder zu Drähten ziehen.

Seine größte technische Bedeutung verdankt Silicium jedoch nicht seinem Aussehen, sondern seinen besonderen elektrischen Eigenschaften.

Warum ist Silicium ein Halbleiter?

Metalle wie Kupfer und Aluminium leiten elektrischen Strom gut. Materialien wie Glas oder Keramik sind dagegen unter normalen Bedingungen meist schlechte elektrische Leiter. Silicium nimmt eine Zwischenstellung ein: Es ist ein Halbleiter.

In einem Halbleiter können Elektronen durch die Zufuhr von Energie in Zustände gelangen, in denen sie zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Dabei entstehen gleichzeitig sogenannte Löcher, die sich im Kristall ebenfalls wie bewegliche Ladungsträger verhalten.

Bei Silicium beträgt die Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband bei Raumtemperatur ungefähr 1,12 Elektronenvolt. Diese vergleichsweise kleine Bandlücke ermöglicht es, die elektrische Leitfähigkeit durch Temperatur, Licht und gezielte Verunreinigungen zu beeinflussen.

Für die Mikroelektronik ist besonders wichtig, dass die Leitfähigkeit von Silicium präzise eingestellt werden kann.

Dotierung – wie aus Silicium ein elektronischer Werkstoff wird

Die elektrische Leitfähigkeit von hochreinem Silicium lässt sich verändern, indem man dem Kristall gezielt sehr geringe Mengen anderer Elemente zusetzt. Dieses Verfahren wird Dotierung genannt.

n-Dotierung mit Phosphor

Wird Silicium beispielsweise mit Phosphor dotiert, bringt jedes Phosphoratom fünf Valenzelektronen mit. Vier davon können an den Bindungen mit benachbarten Siliciumatomen beteiligt sein. Das fünfte Elektron lässt sich vergleichsweise leicht als beweglicher Ladungsträger bereitstellen.

Es entsteht ein n-leitender Halbleiter, in dem Elektronen die Mehrheit der beweglichen Ladungsträger bilden.

p-Dotierung mit Bor

Bei einer Dotierung mit Bor ist die Situation umgekehrt. Bor besitzt nur drei Valenzelektronen. Wird ein Boratom in das Siliciumgitter eingebaut, kann es ein Elektron aus der Umgebung aufnehmen. Dadurch entsteht ein bewegliches Loch.

Das Material wird p-leitend. Hier sind Löcher die Mehrheitsträger.

Werden p- und n-dotierte Bereiche miteinander kombiniert, entstehen pn-Übergänge. Sie bilden die Grundlage zahlreicher Halbleiterbauelemente, darunter Dioden, Solarzellen und Transistoren.

Silicium und die Erfindung des Mikrochips

Die moderne Elektronik nutzt die Möglichkeit, in einem einzigen Siliciumkristall viele unterschiedlich dotierte Bereiche herzustellen. Daraus entstehen Transistoren, die elektrische Signale verstärken oder als Schalter arbeiten können.

Ein Mikroprozessor enthält heute eine enorme Zahl solcher Schaltelemente. Sie werden mithilfe hochpräziser Fertigungsverfahren auf Siliciumscheiben, sogenannten Wafern, hergestellt.

Für diese Technik muss das Ausgangsmaterial extrem rein sein. Schon sehr geringe Mengen unerwünschter Fremdatome können die elektrischen Eigenschaften beeinflussen. Deshalb werden in der Halbleiterindustrie aufwendige Reinigungs- und Kristallzüchtungsverfahren eingesetzt.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist, dass Silicium eine hochwertige Schicht aus Siliciumdioxid (SiO₂) bilden kann. Dieses Oxid war für die Entwicklung der Silicium-Mikroelektronik von entscheidender Bedeutung, weil es als elektrischer Isolator und Schutzschicht verwendet werden kann.

Die kontrollierte Herstellung solcher Schichten ist eine wesentliche Grundlage integrierter Schaltungen.

Wo kommt Silicium in der Natur vor?

Silicium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste chemische Element der Erdkruste. Sein Massenanteil beträgt ungefähr 27 bis 28 Prozent.

Trotz dieser Häufigkeit kommt es in der Natur praktisch nicht in elementarer Form vor. Der Grund ist seine ausgeprägte Neigung, mit Sauerstoff stabile Verbindungen zu bilden.

Besonders wichtig sind zwei große Stoffgruppen: Siliciumdioxid und Silicate.

Siliciumdioxid – Quarz und Sand

Siliciumdioxid besitzt die chemische Formel SiO₂. Eine seiner bekanntesten natürlichen Erscheinungsformen ist Quarz.

Quarz gehört zu den häufigsten Mineralen der Erdkruste und ist ein wichtiger Bestandteil vieler Gesteine und Sande. Allerdings besteht nicht jeder Sand überwiegend aus Quarz. Seine mineralische Zusammensetzung hängt von der geologischen Herkunft ab.

Reiner Quarz ist farblos und durchsichtig. Fremdstoffe, Kristallfehler und Einschlüsse können unterschiedliche Färbungen verursachen.

Quarz besitzt eine hohe chemische Beständigkeit und ist für zahlreiche technische Anwendungen von Bedeutung.

Silicate – die Bausteine vieler Gesteine

Silicate bilden die umfangreichste Mineralgruppe der Erdkruste. Zu ihnen gehören unter anderem Feldspäte, Glimmer, Tone, Olivine und zahlreiche weitere Gesteinsminerale.

Ihr grundlegendes Strukturmotiv ist häufig ein SiO₄-Tetraeder. Dabei ist ein Siliciumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben.

Diese Tetraeder können unterschiedlich miteinander verknüpft sein. Es entstehen beispielsweise Ketten, Schichten oder dreidimensionale Gerüststrukturen.

Die Vielfalt dieser Strukturen erklärt, warum Silicate in so vielen verschiedenen Mineralen und Gesteinen vorkommen.

Wie wird Silicium hergestellt?

Die technische Gewinnung von Silicium beginnt gewöhnlich mit siliciumdioxidhaltigen Rohstoffen, beispielsweise Quarz.

Bei hohen Temperaturen wird Siliciumdioxid mit Kohlenstoff reduziert. Die industrielle Herstellung erfolgt in elektrischen Lichtbogenöfen, in denen Temperaturen von deutlich über 1.500 °C erreicht werden.

Die vereinfachte Gesamtreaktion lautet:

SiO₂ + 2 C → Si + 2 CO

Dabei entsteht zunächst metallurgisches Silicium, das für zahlreiche industrielle Anwendungen geeignet ist. Es enthält jedoch noch Verunreinigungen und genügt deshalb nicht den hohen Reinheitsanforderungen der Mikroelektronik.

Für die Herstellung von Halbleitermaterial wird Silicium durch weitere chemische und physikalische Verfahren gereinigt.

Ein wichtiges industrielles Verfahren beruht darauf, Silicium zunächst in geeignete flüchtige Verbindungen umzuwandeln. Diese werden gereinigt und anschließend wieder zu hochreinem Silicium umgesetzt. Zu den dafür verwendeten Stoffen gehört beispielsweise Trichlorsilan.

Für elektronische Anwendungen wird das gereinigte Silicium anschließend häufig zu großen Einkristallen gezüchtet. Daraus schneidet man dünne Scheiben, die Wafer.

Warum braucht man Einkristalle?

Ein Einkristall besteht aus einem durchgehend regelmäßig aufgebauten Kristallgitter. Die Atome sind darin über große Bereiche in einer einheitlichen räumlichen Ordnung angeordnet.

Für die Herstellung hochintegrierter elektronischer Schaltungen sind solche kontrollierten Kristallstrukturen besonders wichtig. Korngrenzen und bestimmte Kristallfehler können die Bewegung der Ladungsträger beeinflussen und die Funktion elektronischer Bauelemente beeinträchtigen.

Ein weitverbreitetes Herstellungsverfahren ist das Czochralski-Verfahren. Dabei wird aus einer Siliciumschmelze unter kontrollierten Bedingungen ein großer Einkristall gezogen.

Nach dem Abkühlen wird der Kristall in dünne Scheiben geschnitten, geschliffen und poliert. Auf diesen Wafern entstehen anschließend in zahlreichen Fertigungsschritten die elektronischen Strukturen.

Silicium in der Solarenergie

Silicium ist das wichtigste Halbleitermaterial der heutigen Photovoltaik. Viele Solarzellen bestehen aus kristallinem Silicium.

Trifft Licht auf eine Solarzelle, können Photonen Elektronen im Halbleitermaterial anregen. Dabei entstehen bewegliche Elektronen und Löcher. Ein entsprechend aufgebauter pn-Übergang trägt dazu bei, die Ladungsträger zu trennen und elektrische Energie nutzbar zu machen.

Die Umwandlung von Licht in elektrische Energie wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Silicium eignet sich besonders gut für diese Anwendung, weil seine Halbleitereigenschaften technisch beherrschbar sind und die Rohstoffe für seine Herstellung auf der Erde reichlich vorkommen.

Allerdings ist die Herstellung hochreiner Siliciumwafer energie- und materialaufwendig. Deshalb spielen die Effizienz der Produktionsverfahren, die Lebensdauer der Solarmodule und das Recycling eine wichtige Rolle.

Wofür wird Silicium verwendet?

Silicium hat weit mehr Anwendungen als nur Computerchips und Solarzellen.

Computer, Smartphones und elektronische Geräte

Mikroprozessoren, Speicherchips, Sensoren und viele weitere elektronische Bauteile beruhen auf Silicium. Seine kontrollierbare Leitfähigkeit ermöglicht die Herstellung von Transistoren und komplexen integrierten Schaltungen.

Solarzellen

Kristallines Silicium bildet die Grundlage eines großen Teils der weltweit eingesetzten Photovoltaikmodule. Hier wird Lichtenergie unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt.

Glas und Keramik

Siliciumdioxid ist ein wesentlicher Ausgangsstoff für die Glasherstellung. Siliciumhaltige Rohstoffe spielen außerdem eine wichtige Rolle bei der Herstellung keramischer Werkstoffe.

Baustoffe und Zement

Silicate und andere siliciumhaltige Verbindungen sind wichtige Bestandteile von Zement, Beton, Ziegeln und zahlreichen weiteren Baustoffen.

Metallurgie

Silicium wird als Legierungsbestandteil und als Zusatzstoff in der Metallherstellung verwendet. Besonders in Aluminium-Silicium-Legierungen verbessert es bestimmte Gieß- und Werkstoffeigenschaften.

Siliciumcarbid

Die Verbindung Siliciumcarbid (SiC) ist sehr hart und temperaturbeständig. Sie wird unter anderem als Schleifmittel, keramischer Werkstoff und Halbleitermaterial für bestimmte Anwendungen in der Leistungselektronik eingesetzt.

Silicium und Silicone – ein wichtiger Unterschied

Im Alltag werden die Begriffe Silicium, Silica und Silicone gelegentlich verwechselt. Chemisch bezeichnen sie jedoch unterschiedliche Dinge.

Silicium ist das chemische Element mit dem Symbol Si.

Silica ist eine international gebräuchliche Bezeichnung für Siliciumdioxid, also SiO₂.

Silicone sind synthetische Polymere, deren Grundgerüst überwiegend aus abwechselnden Silicium- und Sauerstoffatomen besteht. An den Siliciumatomen befinden sich zusätzlich organische Gruppen.

Silicone können je nach Zusammensetzung elastisch, flüssig oder harzartig sein. Sie werden beispielsweise für Dichtstoffe, medizinische Produkte, Schmierstoffe und zahlreiche technische Anwendungen verwendet.

Silicium ist somit ein Element, Siliciumdioxid eine chemische Verbindung und Silicone sind eine große Stoffgruppe von Polymeren.

Welche Bedeutung hat Silicium für Lebewesen?

Silicium kommt auch in biologischen Systemen vor. Besonders eindrucksvoll ist seine Bedeutung für bestimmte Organismen, die Strukturen aus biogenem Siliciumdioxid bilden.

Kieselalgen, auch Diatomeen genannt, besitzen charakteristische Zellwände aus hydratisiertem Siliciumdioxid. Diese fein strukturierten Hüllen gehören zu den bemerkenswertesten mikroskopischen Formen der Natur.

Auch manche Pflanzen nehmen Silicium in Form gelöster Kieselsäure auf und lagern es in ihrem Gewebe ein. Bei verschiedenen Pflanzenarten kann dies die mechanische Stabilität und die Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Belastungen verbessern.

Für den Menschen ist Silicium nach heutigem Kenntnisstand nicht eindeutig als essenzielles Spurenelement anerkannt. Es wird zwar mit der Nahrung aufgenommen und kommt in verschiedenen Geweben vor, eine lebensnotwendige Funktion mit klar definiertem Bedarf ist jedoch nicht abschließend nachgewiesen.

Die Entdeckung des Siliciums

Siliciumhaltige Materialien wie Sand, Quarz und Glas sind der Menschheit seit Jahrtausenden bekannt. Das chemische Element selbst wurde jedoch erst im 19. Jahrhundert isoliert.

1811 erhielten Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard bei chemischen Versuchen wahrscheinlich unreines Silicium.

1824 stellte der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius amorphes Silicium durch die Umsetzung von Kaliumfluorosilicat mit Kalium her. Seine Arbeiten gelten als entscheidender Schritt bei der Isolierung des Elements.

In den folgenden Jahrzehnten gelang es, die Eigenschaften von Silicium genauer zu untersuchen und kristalline Formen herzustellen.

Seine herausragende technische Bedeutung entwickelte das Element allerdings erst wesentlich später. Besonders im 20. Jahrhundert wurde Silicium durch die Halbleitertechnik zu einem zentralen Werkstoff der Elektronik.

Fünf interessante Fakten über Silicium

1. Silicium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste. Trotzdem ist hochreines Silicium für Computerchips ein technisch anspruchsvolles Produkt.

2. Silicium besitzt die gleiche grundlegende Kristallstruktur wie Diamant. Beide Stoffe bilden ein tetraedrisch verknüpftes Atomgitter, unterscheiden sich aber deutlich in ihren Eigenschaften.

3. Schon winzige Mengen Fremdatome verändern die Leitfähigkeit. Durch Dotierung mit Bor oder Phosphor wird Silicium zu einem gezielt einstellbaren Halbleiter.

4. Sand und Computerchips sind chemisch miteinander verbunden. Der Ausgangsstoff vieler Siliciumchips ist letztlich Siliciumdioxid, das beispielsweise in Quarz vorkommt.

5. Kieselalgen bauen filigrane Strukturen aus Siliciumdioxid. Ihre mikroskopisch kleinen Schalen zeigen, wie vielfältig die Natur siliciumhaltige Materialien nutzen kann.

Silicium und andere Elemente im Periodensystem

Die Stellung von Silicium im Periodensystem erklärt viele seiner Eigenschaften.

Kohlenstoff (C) steht direkt über Silicium in der 14. Gruppe. Beide Elemente besitzen vier Valenzelektronen und können ausgedehnte kovalente Strukturen bilden.

Sauerstoff (O) verbindet sich mit Silicium zu Siliciumdioxid und bildet mit ihm die Grundlage zahlreicher Minerale.

Bor (B) und Phosphor (P) sind für die Dotierung von Silicium besonders wichtig. Mit ihrer Hilfe werden p- und n-leitende Bereiche hergestellt.

Aluminium (Al) steht im Periodensystem unmittelbar links neben Silicium. Beide Elemente spielen in der Werkstofftechnik eine wichtige Rolle und kommen gemeinsam in zahlreichen Mineralen und Legierungen vor.

Weitere Zusammenhänge zwischen den Elementen lassen sich im Online-Periodensystem von blume nachvollziehen. Dort können die Stellung der Elemente und ihre grundlegenden Eigenschaften direkt miteinander verglichen werden.

Fazit: Das Element, das unsere digitale Welt ermöglicht

Silicium ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie ein häufiges natürliches Element durch wissenschaftliche Erkenntnisse und technische Verfahren eine außergewöhnliche Bedeutung gewinnen kann.

In der Erdkruste ist es Bestandteil zahlloser Minerale und Gesteine. In hochreiner kristalliner Form wird es zum Ausgangsmaterial moderner Computerchips und Solarzellen. Seine besondere Stärke liegt darin, dass sich seine elektrische Leitfähigkeit präzise beeinflussen lässt.

Damit verbindet Silicium die Geologie, Chemie, Physik und moderne Informationstechnologie auf einzigartige Weise.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Insbesondere die Darstellung zu Silicium.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Ergänzende elementkundliche und chemiehistorische Einordnung.

Wissenschaftliche Referenzquellen

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements und Angaben zu den Standardatomgewichten. https://iupac.org/

National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomphysikalische und chemische Referenzdaten. https://www.nist.gov/

Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Silicon. https://www.rsc.org/periodic-table/element/14/silicon

Encyclopaedia Britannica: Silicon – Chemical Element. https://www.britannica.com/science/silicon

United States Geological Survey (USGS): Mineral Commodity Summaries – Silicon. https://www.usgs.gov/