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.

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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.

Verbindung der Valenzstruktur bei monokristallinem Silizium

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 regelmäßige angeordnet sind. Monokristallines Silizium wird in einer Siliziumschmelze zu einkristallinen Siliziumzylindern, genannt Ingot, gezogen und bilden das Grundmaterial für die Wafer bildet. Dazu werden die Siliziumzylinder in dünne Siliziumscheiben gesägt, die für die Herstellung von integrierten Schaltungen und Solarzellen verwendet werden.

Polykristallines Silizium, auch als Polysilizium bezeichnet, hat eine multikristalline Struktur und besteht aus vielen einzelnen Kristallen. Die Kristalle 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.

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 (CdS), Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Selenid (CuInSe2). Der Wirkungsgrad von amorphem Silizium ist mit ca. 7 % nur etwa halb so groß wie der von reinem Silizium.