Silizium

Dieser Text beschreibt Silizium.

Silizium ist ein chemisches Element in dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14.

Merkmale

Aluminium - Silizium - Phosphor C Si Ge       Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Silizium, Si, 14
Serie	Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block	14 (IVA), 3, p
Dichte, Mohshärte	2330 kg/m3, 6,5
Aussehen	dunkel grau, bläulicher Farbton
Atomar
Atomgewicht	28,0855 amu
Atomradius (berechnet)	110 (111) pm
Kovalenter Radius	111 pm
van der Waals-Radius	210 pm
Elektronenkonfiguration	[Ne]3s2 3p2
e- 's pro Energieniveau	2, 8, 4
Oxidationszustände (Oxid)	4 (amphoter)
Kristallstruktur	Diamant
Physikalisch
Aggregatzustand (Magnetismus)	fest (unmagnetisch)
Schmelzpunkt	1687 K (1414 °C)
Siedepunkt	3173 K (2900 °C)
Molares Volumen	12,06 · 10-3 m3/mol
Verdampfungswärme	384,22 kJ/mol
Schmelzwärme	50,55 kJ/mol
Dampfdruck	4,77 Pa bei 1683 K
Schallgeschwindigkeit	__ m/s bei __ K
Verschiedenes
Elektronegativität	1,90 (Pauling-Skala)
Spezifische Wärmekapazität	700 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	2,52 10-4/m Ohm
Wärmeleitfähigkeit	148 W/(m · K)
1. Ionisierungsenergie	786,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1577,1 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	3231,6 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	4355,5 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	16091 kJ/mol
6. Ionisierungsenergie	19805 kJ/mol
7. Ionisierungsenergie	23780 kJ/mol
8. Ionisierungsenergie	29287 kJ/mol
9. Ionisierungsenergie	33878 kJ/mol
10. Ionisierungsenergie	38726 kJ/mol
Stabilste Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 28Si 92,23 % Si ist stabil mit 14 Neutronen 29Si 4,67 % Si ist stabil mit 15 Neutronen, Kernspin I=1/2, NMR-aktives Isotop 30Si 3,1 % Si ist stabil mit 16 Neutronen 32Si {syn} 276 y Beta- 0,224 32P
SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben.

Silizium ist in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) des Periodensystems der Elemente zu finden und zählt zu den Halbmetallen. Elementares Silizium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung in der Metallurgie (Ferrosilizium), der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips).

Silizium tritt in der Natur ausschließlich als Oxid auf, und zwar entweder in Form von Siliziumdioxid oder in Form silikatischer Mineralien. Es ist für gewöhnlich vierwertig, es existieren allerdings auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene). Es gibt eine Vielzahl natürlicher chemischer Verbindungen, in denen Silizium vorkommt, nämlich die Silikate. So bestehen Sand, Ton und Quarz vorwiegend aus Siliziumdioxid.

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste, da es Bestandteil eines Großteils der Minerale ist. Wesentliches Bauelement aller Silizium-Sauerstoff-Verbindungen sind SiO₄-Tetraeder. Durch Polykondensation solcher SiO₄-Tetraeder, die über gemeinsame Ecken, Kanten oder Flächen verknüpft werden, können komplexe Ketten, Ringe, Schichten und andere Vernetzungsmuster ausgebildet werden. Eine Lebensform, die dieses Prinzip ausnutzt, sind die Kieselalgen (Diatomeen), welche sich durch Kondensation von Monokieselsäure Si(OH)₄ ein Exoskelett aus Siliziumdioxid aufbauen. Aus der Pflanzenwelt sei der Schachtelhalm erwähnt, welcher in seinen Blättern durch ein Siliziumdioxidgerüst zusätzliche Stabilität erhält. Siehe auch Kieselsäure

Werden solche SiO₄-Tetraeder durch organische Reste modifiziert und polymerisiert, erhält man die Silikone (Silicone), die zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen gehören. Silikone und Silizium selbst werden von Nichtfachleuten öfters verwechselt, da die englischen Namen (silicone und silicon) sehr ähnlich sind.

Elementares Silizium erhält man durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff in dem Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa 2 Tausend °C. Das erhaltenen Rohsilizium (Reinheit 98-99 %) ist für metallurgische Zwecke ausreichend sauber, muss für Solaranwendungen oder für den Gebrauch in der Mikroelektronik jedoch weiter aufgereinigt werden.

Dazu wird es in dem Siemens-Verfahren zunächst mir gasförmigen Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan (Silicochloroform ) umgesetzt.

Si + 3 HCl -----> H2 + HSiCl3

Nach aufwändigen Destillationsschritten wird das Silicochloroform in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliciumstäben wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silicium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Das so erhaltene Silizium ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von > 99.99 %.

Um schließlich hochreines, kristallines Silicium zu erhalten, wie es in der Mikroelektronik benötigt wird, wird das Reinsilizium in Quarztiegeln geschmolzen. Ein Impfkristall aus hochreinem Silizium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silizium kristallin auf dem Kristall wächst und Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Das Verfahren wird als Tiegelziehen genannt. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist die Schmelzpunktserniedrigung . Alternativ kann auch eine Schmelzzone (elektrische Heizung) durch einen nachdem Siemensverfahren gewonnenen Siliziumstab gefahren werden, wobei sich die Verunreinigungen in der Schmelze lösen und mitwandern (so genanntes Zonenschmelzen).

Hochreines, kristallines Silizium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik. Alle gängigen Computer-Chips, Speicher, Transistoren etc. benutzen hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Arsen, Antimon, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Merkmalen von Silizium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silizium-Zeitalter.

Eine weitere wichtige Anwendung von Silizium findet sich in der Fotovoltaik, also Solarzellen. Hier werden ebenfalls die halbleitenden Merkmalen des Siliziums ausgenutzt.

Elementares Silizium ist in dem Handel in der Regel als braunes Pulver oder als grau-schwarze Kristalle erhältlich. Hochreines Silizium für Solarpanels oder Halbleiter weist einen typischen metallischen Glanz auf.

Verbindungen, in denen Silizium vorkommt:

• Zirkon und alle anderen Silikate
• Siliziumdioxid
• Siliziumcarbid
• Siliziumtetrafluorid
• Siliziumtetrachlorid
• Trichlorsilan (Silicochlorform)
• Monosilan
• Siliziumwasserstoffe (Silane)
• Silikone (Silicone)
• Silicide (Silizium-Metallverbindungen)