Si • Ordnungszahl 14
Silicium
Silicium ist ein Halbmetall der Kohlenstoffgruppe. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Es ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Nur Sauerstoff kommt häufiger vor. Ähnlich Wasser weist Silicium eine Dichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in Festform.
In der Natur ist reines Silizium nicht anzutreffen, weil es zu reaktiv ist. Es ist aber praktisch in allen Gesteinen vorhanden. Der Name Silizium leitet sich daher auch vom lateinischen „silex“ oder „silicis“ ab, was „Feuerstein“ bedeutet.
Aufgrund seiner Atomstruktur ist Silizium der wichtigste Halbleiter im Elektronik- und Technologiesektor.
Silicium ist für den menschlichen Körper ein lebensnotwendiges Spurenelement, das vor allem über pflanzliche Nahrung aufgenommen wird. Es ist wertvoller Bestandteil des Bindegewebes.
China ist das wichtigste Herstellerland von metallurgischem Silicium. Deutschland, die USA und Japan sind führend in der Herstellung von hochreinem Silizium für Halbleiter.
Aufgrund seiner Bedeutung für die Herstellung von Halbleiterchips, den Elektronikmarkt und die Solarstromerzeugung, gilt Siliciummetall in der EU als strategischer Rohstoff.
Siliziumhaltige Verbindungen spielten in der Menschheitsgeschichte seit langem als Baumaterial traditionell eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer scharfen Schnittkanten fanden Siliziumhaltige Gesteine schon in der Steinzeit Einsatz als Werkzeuge. Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial wurde schon in vorgeschichtlichen Zeiten abgebaut und gehandelt.
Die Glasherstellung aus Quarzsand begann etwa um 3.500 v. Chr. in Mesopotamien und Ägypten.
Als Element wurde Silizium vermutlich zum ersten Mal von Antoine Lavoisier im Jahre 1787 und unabhängig davon von Humphry Davy im Jahre 1800 hergestellt, fälschlicherweise jedoch für eine Verbindung gehalten.
Im Jahre 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) unreines und amorphes Silizium her.
Der Schwede Jöns Jakob Berzelius erkannte als erster die elementare Natur des Siliziums und gab ihm seinen Namen.
Der englische Begriff „silicon“ wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thomson vorgeschlagen. Die Endung „-on“ soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (engl. carbon) hinweisen.
Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliziums gelang im Jahre 1854 dem französischen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.
Um die Jahrhundertwende begann die erste technische Siliziumproduktion durch Reduktion von Quarzsand mit Kohle im Lichtbogenofen.
1916 begann die Firma DuPont mit der Großproduktion von Siliziummetall für Stahllegierungen.
Mitte des 20. Jahrhundert kam der Bedarf an hochreinem Silizium für Transistoren auf und führte zur Entwicklung des Siemens-Prozesses, der aus der Gasphasenabscheidung von Silan (SiH₄) und der Zersetzung zu Reinstsilizium besteht. Damit war der Beginn des Siliziumzeitalters in der Halbleitertechnik eingeläutet.
Silizium wird industriell in verschiedenen Formen eingesetzt, je nach Reinheitsgrad und chemischer Struktur.
Siliziumdioxid, also Quarzsand, ist der Grundstoff für Glas.
Ferrosilizium findet eine breite Verwendung in der Eisenmetallurgie. Es ist eine Vorlegierung für die Herstellung von Stahl und Gusseisen sowie ein Vorprodukt zur Herstellung von hochreinem Silizium für den Photovoltaik- und Halbleitermarkt. Ferrosilizium wird auch als Reduktionsmittel zur Gewinnung von Metallen verwendet.
Metallurgisches Silizium, das aus Quarzsand gewonnen wird, geht in Aluminiumlegierungen im Leichtbau (Autoindustrie). Etwa die Hälfte des hergestellten Siliziummetalls gehen in diesen Sektor.
Aus Siliziummetall werden hochreines Polysilizium mit einer Reinheit von über 99 Prozent (hochrein) sowie hochreines monokristallines Silizium hergestellt. Polysilizium wird in Solarzellen und in der Halbleiterindustrie verwendet. Monokristallines Silizium wird in Computerchips, Prozessoren und Hochleistungselektronik eingesetzt.
Zu den wichtigen Silikatmineralien zählen Tone, Feldspat, Olivin, Pyroxen, Amphibole, Glimmer und Zeolithe. Für die Siliziumgewinnung eignet sich besonders Quarzsand. Da Silizium das zweithäufigste Element der Erdkruste, ist es weit verbreitet.
Metallurgisches Silizium mit einer Reinheit von 98 bis 99 Prozent wird durch Reduktion von Quarzsand mit Kohle in Hochöfen gewonnen.
Hochreines Silizium wird aus metallurgischem Silizium über das Siemens-Verfahren oder im Wirbelschichtreaktor hergestellt.
Die Herstellung von Siliziummetall ist extrem energieintensiv. China dominiert mit einem Marktanteil von 70 bis 80 Prozent die globale Produktion mit Unternehmen wie Hoshine Silicon und Tongwei.
Die Jahresproduktion von Siliziummetall beträgt etwa 3,3 bis 3,8 Millionen Tonnen.
Aluminium, Siliziumkarbid und Silikomangan können in einigen Anwendungen Ferrosilizium ersetzen.
Galliumarsenid und Germanium sind die wichtigsten Ersatzstoffe für Silizium in Halbleiteranwendungen.
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