Silicio y germanio C Si Ge Z = Nº atómico 6 14 32 Estructura electrónica [He]2s2 2p2 [Ne]3s2 3p2 [Ar]3d10 4s2 4p2 P.F. (ºC) Varios estados alotrópicos 1410 940 Conductividad (W-1m-1) 2,52 × 10-4 1,45 Radio atómico relativo 1 1,51 1,59

Silicio y germanio Ambos pertenecen a la misma familia del C, pero aún teniendo la misma estructura electrónica, es muy notable el cambio del carácter metálico que se encuentra al bajar por la columna. Definidamente no metálico Fullereno Grafito Diamante Intermedio. “Metaloide” Características físico-químicas de metal

Silicio y germanio SiO2 + C Si + CO2 GeO2 + 2Mg Ge + 2MgO El silicio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre (28%) y forma una enorme cantidad de minerales. Es tan importante para el mundo mineral como lo es el carbono para el mundo vivo. El germanio es un elemento muy escaso. Es uno de los elementos predicho por Mendeleiev (eka-silicio) y fue descubierto y aislado recién en 1886. Ambos pueden obtenerse por reducción con C o Mg de su dióxido SiO2 + C Si + CO2 GeO2 + 2Mg Ge + 2MgO

Silicio y germanio El estado sólido. En un sólido cristalino los átomos, iones o moléculas que lo integran están dispuestos según un patrón geométrico fijo que se repite una y otra vez en las tres dimensiones. Hay distintos patrones según el tipo de átomos presente y siempre se tiende a estructuras lo más compactas posibles. Este alto grado de orden de la microestructura se traduce, frecuentemente, en la formación de cristales macroscópicos con forma geométrica precisa. En el caso del silicio y del germanio, la estructura es de un cubo con átomos adicionales en el centro de cada cara. Como resultado de esta disposición, cada átomo está rodeado de otros cuatro, situados en los vértices de un tetraedro. El vínculo entre cada átomo es un par de electrones en un orbital sp3. Las especiales propiedades eléctricas de estos materiales está relacionada con estos electrones apareados… enlace covalente

Silicio y germanio Modelo de la conductividad del enlace covalente Hagamos una representación bidimensional de la estructura Éstos son los electrones apareados sp3 Átomos de Si o Ge Cada átomo está rodeado por otros cuatro Cada átomo tiene cuatro pares de electrones de enlace alrededor Los electrones apareados están firmemente ligados a sus núcleos. No pueden desplazarse lejos de ellos. No pueden participar de ningún proceso de transporte de carga. Sin embargo…

Silicio y germanio Cu 0,56 x 108 Si 2,52 × 10-4 S 0,5 x 10-15 …esto sería estrictamente cierto a 0 Kelvin. A temperatura ambiente, en el caso del Si, aproximadamente uno de cada billón de átomos (10-12), tiene un electrón “libre”, que puede desplazarse por el cristal y puede participar de un proceso de transporte de carga (corriente eléctrica). Esto se refleja en estos valores de conductividad eléctrica (en W-1m-1): Cu 0,56 x 108 Si 2,52 × 10-4 S 0,5 x 10-15

Silicio y germanio Por eso se los llama “semiconductores” GaAs InP CdS Los metales, como el Cu, tienen muchísimos electrones “libres”. Los materiales aislantes, como el S, prácticamente no tienen y materiales como el Si y el Ge están en una situación intermedia. Por eso se los llama “semiconductores” Hay otros materiales semiconductores “compuestos”: GaAs InP 3 y 5 electrones de valencia En “promedio” tienen 4 electrones de valencia CdS CdTe 2 y 6 electrones de valencia

Silicio y germanio Esta descripción es válida para los materiales “puros”. Pequeñísimas concentracio-nes de átomos extraños, hacen variar fuertemente la cantidad de electrones libres. La enorme utilidad de los semiconductores proviene de la posibilidad de regular artificialmente su conductividad y para eso es necesario poder obtener un material de partida extremadamente puro y con cristalización perfecta. (Monocristales) Tres tipos de sólidos, clasificados por su ordenación atómica: La estructura cristalina y amorfa son ilustradas con una vista microscópica de sus átomos, mientras la estructura policristalina se muestra de una forma más macroscópica con sus pequeños cristales con distinta orientación pegados unos con otros.

Silicio y germanio Obtención de Si puro Materia prima: Sílice en forma de cuarzo. Muy abundante 2) Reducción del SiO2 a alta temperatura: Silicio + Carbón a 2000ºC  Silicio metalúrgico, Si al 98%.  3) Si metalúrgico + ClH (Clorhídrico)SiHCl3 TricloroSilano 4) Destilación del SiHCl3  SiHCl3 TricloroSilano puro. 5) Reducción del SiHCl3 SiHCl3 + H2  Si de alta pureza Si Policristalino Concentración impurezas < 10-10 (1 átomo extraño cada 10.000.000.000).

Silicio y germanio Dos métodos para obtener Si monocristalino a) Método de Czochralski b) Método de Zona flotante

Silicio y germanio Método de Czochralski

Silicio y germanio Método de Czochralski Se coloca el Si policristalino en el crisol y el horno se calienta hasta fundirlo. Se introduce la semilla en el fundido (muestra pequeña del cristal que se quiere crecer) Se levanta lentamente la semilla (se gira la semilla en un sentido y el crisol en el contrario) El progresivo enfriamiento en la interface sólido-líquido proporciona un Si monocristalino con la misma orientación cristalina que la semilla pero de mayor diámetro

Silicio y germanio Método de Zona Flotante El proceso parte de un cilindro de silicio policristalino Se sostiene verticalmente y se conecta uno de sus extremos a la semilla Una pequeña zona del cristal se funde mediante un calentador por radio frecuencia que se desplaza a lo largo de todo el cristal desde la semilla Cuando la zona flotante se desplaza hacia arriba, el silicio monocristalino se solidifica en el extremo inferior de la zona flotante y crece como una extensión de la semilla Las impurezas tienden a concentrarse en la zona fundida y son “barridas” hasta el extremo del lingote.

Silicio y germanio CO2 SiO2 GeO2 Los óxidos. La misma fórmula estequiométrica CO2 SiO2 GeO2 Muy diferentes propiedades... …y estructura Existen moléculas individuales con esa composición Es una macromolécula cristalina

Silicio y germanio Las propiedades del SiO2 se adaptan muy bien a las necesidades de la fabricación de circuitos integrados: Se genera fácilmente sobre la superficie del Si por simple calentamiento Es muy buen aislante eléctrico. Protege y pasiva la circuitería debajo suyo. Sirve como máscara para distintas etapas del proceso por tecnología planar. Estas propiedades, más la abundancia y bajo costo del silicio y su mejor comportamiento eléctrico en un mayor rango de temperaturas, son las causas que explican el desplazamiento del germanio, que fue el material más utilizado al comenzar la era de los semiconductores.