Silizium (Si) ist ein chemisches Element mit Halbleitereigenschaften, das in hochreiner, monokristalliner Form in der Mikroelektronik eingesetzt wird. Die Atome des Siliziums sind in einem regelmäßigen Gitter angeordnet. Im Valenzband haben die Silizium-Atome vier Elektronen, die fest mit den Elektronen des Nachbaratoms verbunden sind. Silizium hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl 14.
Die Bandlücke zwischen Leitungsband und Valenzband ist relativ gering und liegt bei 1,1 Elektronenvolt ( eV). Wird ein Elektron durch Energiezufuhr aus dem Elektronenverbund herausgerissen, kann es für den Ladungstransport benutzt werden und hinterlässt an seiner früheren Position ein Loch. Der Ladungstransport kann durch weitere frei gewordene Elektronen und durch zusätzlich hinzugefügte Elektronen erhöht werden. Diese zusätzlichen Elektronen werden durch gezielte Verunreinigung, der Dotierung, eingefügt.
Silizium wird in der Elektronik in aktiven elektronischen Bauelementen und in der Photovoltaik in Solarzellen eingesetzt.
Die verschiedenen Formen des Siliziums
Silizium kann in hochreiner Form mit monokristalliner Struktur, aber auch in polykristalliner und nichtkristalliner, amorpher Struktur gefertigt werden. Bei monokristallinem Silizium (c-Si) handelt es sich um hochreines Silizium, bei dem die Atomstrukturen in einem regelmässig, gerichteten Kristallgitter angeordnet sind. Monokristallines Silizium wird in einer Siliziumschmelze zu einkristallinen Siliziumzylindern, genannt Ingot, gezogen und bilden das Grundmaterial für die Wafer. Dazu werden die Siliziumzylinder in dünne Siliziumscheiben gesägt, die für die Herstellung von integrierten Schaltungen und Solarzellen verwendet werden. Reines Silizium absorbiert allerdings nur Wellenlängen bis 1.100 nm.
Polykristallines Silizium (p-Si), auch als Polysilizium bezeichnet, hat eine multikristalline Struktur und besteht aus vielen einzelnen Kristallen. Die Kristalle sind etwa 10 µm klein und weisen in sich eine regelmäßige Struktur auf, allerdings sind sie im Siliziumblock unregelmäßig angeordnet. Bei der Fertigung wird es in Siliziumblöcke gegossen, die in dünne Scheiben zersägt werden. Das Molekulargefüge von polykristallinem Silizium ist gröber als das von monokristallinem. Dieses Halbleitermaterial kann preiswerter hergestellt werden und wird u.a. in der Photovoltaik eingesetzt.
Sharp hat das polykristalline Silizium mittels Low Temperature Poly Silicon ( LTPS) zu Continuous Grain Silicon (CG-Si) weiterentwickelt. Continuous Grain Silicon ist gekennzeichnet durch größere, regelmäßige Kristallstrukturen mit einheitlicher Größe und Ausdehnung. Die Elektronenbeweglichkeit ist um ein Vielfaches - ca. 600-fach - höher als die in amorphem Silizium. Dadurch können Displays entwickelt werden, deren Pixel kürzere Reaktionszeiten haben.
Amorphes Silizium (a-Si) weist keine regelmäßige Kristallstruktur auf und hat auch keine Kristallfläche. Dieses Material, bei dem es sich um Kunstharz oder Glas handeln kann, hat keine feste Struktur. Es hat ein hohes Absorptionsvermögen, kann preiswert hergestellt werden, hat allerdings schlechtere elektronische Eigenschaften gegenüber poly- und monokristallinem Silizium. In der Photovoltaik wird es mit optimierter Mikrostruktur eingesetzt. Zu den nichtkristallinen Halbleitern gehören des weiteren Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid ( CdTe) und Kupfer- Indium-Diselenid ( CIS). Der Wirkungsgrad von amorphem Silizium ist mit ca. 8 % nur etwa halb so groß wie der von polykristallinem Silizium. Monokristallines Silizium hat mit 20 % bis 22 % den höchsten Wirkungsgrad der Photovoltaik.