Das Verständnis von Silizium: Die Grundlage der Halbleitertechnologie

Silicium ist ein chemisches Element in der 14. Gruppe des Periodensystems, zusammen mit Kohlenstoff, Germanium, Zinn, Blei und Ununquadium. Diese Elemente haben 4 Valenzelektronen, was ihnen ähnliche chemische Eigenschaften verleiht. Silicium ist das am häufigsten verwendete Material für Halbleiterkomponenten.

Obwohl Kohlenstoff in Form von Diamant für Halbleiterkomponenten geeignet ist, werden künstliche Diamanten derzeit nur als kleine Kristalle mit hohem Aufwand hergestellt, was ihre praktische Anwendung einschränkt.

Germanium, das sich direkt unter Silizium im Periodensystem befindet, ist das zweithäufigste Material für Halbleiter nach Silizium.

Silicium hat eine Atomnummer von 14, was bedeutet, dass es 14 positiv geladene Protonen im Kern und 14 negativ geladene Elektronen in der Atomhülle hat. Die Neutronenzahl im Kern variiert von 14 bis 16 bei natürlich vorkommendem Silicium.

Elektronen in Silizium sind auf verschiedene Schalen verteilt, mit 2 Elektronen in der 1s-Schale, 2 in der 2s-Schale, 6 in der 2p-Schale, 2 in der 3s-Schale und 2 in der 3p-Schale.

Historische Atommodelle schlugen verschiedene Elektronenbahnen um den Kern vor, um beobachtete Phänomene zu erklären, aber keines konnte alle Eigenschaften umfassen. Das moderne Orbitalmodell beschreibt die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elektronenhülle.

Das Orbitalmodell berechnet Wahrscheinlichkeiten für Elektronenpositionen im dreidimensionalen Raum und bildet Formen, die als Orbitale bekannt sind. Diese Orbitale repräsentieren die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron an einem bestimmten Punkt im Raum zu finden.

Orbitalformen wie das 1s-Orbital basieren auf Wahrscheinlichkeiten, mit einer 90%igen Chance, Elektronen innerhalb des berechneten Raums zu finden. Die 2s- und 2p-Orbitale haben unterschiedliche Formen und Größen, die die Elektronenverteilung widerspiegeln.

Vollständig oder halb gefüllte Orbitale sind energetisch günstige und stabile Elektronenkonfigurationen. Durch das Teilen von Elektronen in kovalenten Bindungen erreichen Atome stabile äußere p-Orbitale.

Die räumliche Anordnung der unbesetzten p-Orbitale legt nahe, dass sie sich im 90-Grad-Winkel zueinander befinden sollten. Beobachtete Bindungswinkel liegen jedoch bei etwa 109,5 Grad aufgrund der Bildung von Hybridorbitalen. Das äußere s-Orbital und drei Komponenten der p-Orbitale, wobei eine Komponente unbesetzt ist, kombinieren sich zu vier identischen Komponenten des Hybridorbitals.

Die Hybridorbitale, die aus der Kombination des s-Orbitals und der p-Orbitale resultieren, sind rotationsymmetrisch um eine Achse. Diese Orbitale sind halb gefüllt und können ein zusätzliches Elektron aufnehmen, was zu einer räumlichen Anordnung mit einem Winkel von 109,5 Grad zwischen den Symmetrieachsen führt.

Der Prozess der Bildung von Hybridorbitalen, bekannt als Hybridisierung, speziell sp3-Hybridisierung in diesem Fall, beinhaltet die Beteiligung eines s-Orbitals und drei p-Orbitale. Dies führt zu den beobachteten Bindungswinkeln von 109,5 Grad.

Kovalente chemische Bindungen werden oft mit dem Stabmodell dargestellt, bei dem Atome durch Kugeln und bindende Elektronenpaare durch Stäbe repräsentiert werden. Die Winkel zwischen den Stäben entsprechen den beobachteten Bindungswinkeln zwischen den Atomen.

Siliziumatome in einem Kristallgitter zeigen eine Diamantstruktur, ähnlich wie kristallines Kohlenstoff (Diamant). Jedes Siliziumatom bildet vier kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen in einem Winkel von 109,5 Grad, angeordnet in einem kubisch-flächenzentrierten Gitter.

Der Abstand zwischen direkt gebundenen Atomen in Silizium beträgt 0,543 Nanometer, während er in Diamantkristallen 0,154 Nanometer beträgt. Die Kantenlänge des Würfels wird durch diese atomaren Abstände und Bindungswinkel bestimmt.

Rasterkraftmikroskope werden verwendet, um die Oberfläche eines Kristalls abzutasten und Bilder zu erzeugen, die genauer durch das Kugel-Stab-Modell dargestellt werden. Das Kugelmodell, bei dem Atome als Kugeln dargestellt werden, bietet eine genauere Darstellung der tatsächlichen Struktur.

Ein virtuelles Siliziumkristall wird konstruiert, indem Siliziumatome in Ketten ausgerichtet werden, Gitterebenen bilden und mehrere Kristallflächen stapeln. Alle Atome an den Ecken der Elementarzelle sind fest mit dem Gitter verbunden.