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2.6.15
Silizium (Si)
Silizium ist ein sehr guter Halbleiter (
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Kasten 2.6
) und zugleich
relativ günstig. Daher bestehen nahezu alle Mikrochips und
Solarzellen aus Silizium. Eine Aluminium-Silizium-Legierung
mit eutektischer Zusammensetzung wird für den Aluminium-
guss verwendet, da sie eine geringe thermische Kontraktion auf-
weist. Auch in Gusseisen und für elektrische Zwecke optimierten
Stahlsorten wird Silizium zulegiert. Das sehr harte Silizium-
karbid (SiC) wird als Schleifmittel und in besonders festen Kera-
miken verwendet. Silikone sind Polymere mit Silizium, Sauer-
stoff und Wasserstoff.
Nebenbei ist Silizium nach Sauerstoff der zweithäufigste
Bestandteil der Erdkruste und Quarz (SiO
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), das Siliziumerz,
kommt in großer Menge vor. Quarz kann im Lichtbogen mit
Kohlenstoff zu elementarem Silizium reduziert werden. Dieses
Rohsilizium ist für Legierungen ausreichend, für die Halbleiter-
technik muss es zu hochreinem Silizium raffiniert werden. Die
Abb. 2.31
Zirkon aus einem Syenit-Pegmatit. Seiland, Norwegen.
© F. Neukirchen / Mineralogische Sammlungen der TU Berlin.
Kasten 2.6
Halbleiter
Halbleiter sind Stoffe mit bestimmten elektrischen Eigen-
schaften, die sich sowohl von elektrischen Leitern als auch von
elektrischen Isolatoren unterscheiden. Abgesehen von der
Diffusion von Ionen, die im Kristallgitter vernachlässigt werden
kann, sind Elektronenbewegungen für die elektrische Leitung
verantwortlich. Die Wechselwirkungen der Elektronen mit dem
Atomkern und mit benachbarten Atomen sind kompliziert.
Die Quantenmechanik beschreibt die Position von Elektronen
in den Orbitalen eines einzelnen Atoms nur mit Wahrschein-
lichkeiten anhand von Wellengleichungen. In einem Kristall-
gitter kommt hinzu, dass sich die äußeren Orbitale benachbar-
ter Atome überlappen.
Das Bändermodell ermöglicht eine vereinfachte Betrachtungs-
weise. Im Gegensatz zum einzelnen Atom, in dem sich ver-
einfacht gesagt je zwei Elektronen in einer Schale mit genau
definiertem Energieniveau befinden, führt die Wechselwirkung
mit Nachbaratomen dazu, dass die Schalen zu breiteren
Bändern mit erlaubten Energiezuständen aufgeweitet werden.
Das äußerste mit Elektronen besetzte Band, das Valenzband,
ist wegen der starken Wechselwirkung mit den Nachbar-
atomen besonders breit. Die Elektronen im Valenzband sind
auch für die chemische Bindung verantwortlich, in kovalenten
Bindungen können sie nicht einmal eindeutig einem Atom
zugeordnet werden. Das nächsthöhere Band wird Leitungs-
band genannt. Die äußersten Elektronen können von einem
Atom zum nächsten bewegt werden, wenn das entsprechende
Band nur teilweise gefüllt ist.
In Metallen überlappen sich Valenzband und Leitungsband
zum Teil, daher ist das Leitungsband teilweise gefüllt. In Alkali-
metallen ist schon das Valenzband nur teilweise gefüllt
(Valenz- und Leitungsband sind quasi identisch). Bei Isolatoren
befindet sich hingegen zwischen Valenzband und dem nächst-
höheren erlaubten Energieniveau eine breite »verbotene
Zone«, eine Bandlücke, die nicht überwunden werden kann.
Damit sind alle erreichbaren Energieniveaus bereits besetzt.
Ähnlich wie Isolatoren haben Halbleiter ein voll besetztes
Valenzband und eine Bandlücke zwischen Valenz- und Lei-
tungsband. Allerdings ist die Bandlücke so schmal (zwischen
0,1 und 4 eV), dass sie durch Energiezufuhr (Wärme, Licht)
überwunden werden kann. Sobald Elektronen in das Leitungs-
band gehoben wurden, sind sie dort frei beweglich (n-Lei-
tung). Das Atom hat nun ein »Elektronenloch«, das von Elek-
tronen aus dem Valenzband benachbarter Atome aufgefüllt
werden kann - was bei diesen ein »Elektronenloch« hinterlässt.
Diese Wanderbewegung der »Elektronenlöcher« entspricht
der Bewegung einer positiven Ladung (p-Leitung), auch wenn
sie durch die Bewegung von negativ geladenen Elektronen
in die entgegengesetzte Richtung ausgelöst wird. Die Leit-
fähigkeit ist temperaturabhängig und steigt mit zunehmender
Temperatur (bei Metallen ist es umgekehrt).
Durch Dotierung - das gezielte »Verunreinigen« des Stoffes
mit Fremdatomen von anderer Wertigkeit - kann der Halb-
leiter zusätzlich mit Ladungsträgern ausgestattet werden. Am
Fremdatom entstehen zusätzliche Energieniveaus, mit deren
Hilfe die Bandlücke überwunden werden kann. Ein Halbleiter
mit n-Dotierung enthält Atome eines Elements mit einem
zusätzlichen Elektron im Valenzband (z. B. Silizium mit Phos-
phordotierung), das Fremdatom dient als Elektronendonator.
Ein Halbleiter mit p-Dotierung enthält Atome eines Elements,
das ein Elektron weniger im Valenzband hat (z. B. Silizium mit
Bordotierung), das Fremdatom dient als Elektronenakzeptor.
Undotierte Halbleiter werden intrinsisch (i-Halbleiter) genannt.
Durch Kombinationen von n-, p- und i-Bereichen lassen sich
Dioden (dazu reicht bereits der Übergang zwischen einer
p- und einer n-Schicht), Transistoren und andere Teile bauen,
die innerhalb eines Halbleiterkristalls zu komplexen integrier-
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