Las 5 razones principales para usar silicio en la electrónica como material semiconductor

Con el término "electrónica" hay muchas cosas que puede asociar, especialmente componentes de placas electrónicas como transistores, diodos, circuitos integrados, etc. Si está familiarizado con estos componentes, también debe conocer los usos dominantes del silicio en la fabricación de estos componentes.

¿Qué es el silicio?

El silicio es un material semiconductor con número atómico 14, ubicado en el grupo 4 de la tabla periódica. El silicio amorfo puro fue preparado por primera vez por Jones Jacob Berzelius en 1824, mientras que el silicio cristalino fue preparado por primera vez por Henry Etienne en 1854.

¿Qué son los semiconductores?

Los semiconductores no son más que materiales con propiedades aislantes en estado puro y con propiedades conductoras cuando están dopados o adicionados con impurezas. Los semiconductores suelen tener una banda prohibida (energía necesaria para que los electrones se liberen del enlace covalente) entre los aisladores (banda prohibida máxima) y los conductores (banda prohibida mínima). La conducción o el flujo de carga en los semiconductores se debe al movimiento de electrones libres o huecos.

Si conoces la tabla periódica, debes conocer los grupos de una tabla periódica. Los materiales semiconductores suelen estar presentes en el grupo 4 de la tabla periódica o también como una combinación de los grupos 3 y 6, o también como una combinación de los grupos 2 y 4. Los semiconductores más utilizados son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio.

Entonces, ¿qué hace que el silicio sea el material semiconductor preferido en la electrónica?

Estas son las razones principales:

1. Abundancia de silicio

La razón principal de la popularidad del silicio como material de elección es su abundancia. Después del oxígeno, que es aproximadamente el 46% en la corteza terrestre, el silicio forma aproximadamente el 28% de la corteza terrestre. Está ampliamente disponible en forma de arena (sílice) y cuarzo.

2. Fabricación de silicio

Las obleas de silicio utilizadas para la producción de circuitos integrados y componentes electrónicos se fabrican utilizando técnicas eficientes y económicas. El silicio puro o polisilicio se obtiene mediante los siguientes pasos:

• El cuarzo se hace reaccionar con coque para producir silicio metalúrgico en un horno eléctrico.
• El silicio metalúrgico se transforma luego en triclorosilano (TCS) en reactores de lecho fluidizado.
• Posteriormente, el TCS se purifica por destilación, luego se descompone en filamentos de silicio calientes en un reactor, con hidrógeno. Finalmente, el resultado es una varilla de polisilicio.

A continuación, la barra de polisilicio se cristaliza mediante el método Czochralski para obtener cristales o lingotes de silicio. Estos lingotes finalmente se rebanan utilizando métodos de corte de ID o corte de alambre.

Todos los procesos anteriores facilitan la obtención del diámetro, la orientación, la conductividad, la concentración de dopaje y la concentración de oxígeno necesarios para la producción de obleas de silicio.

3. Propiedades químicas

Las propiedades químicas se refieren a las propiedades por las cuales se define la reacción de los materiales con otros. Las propiedades químicas dependen directamente de la estructura atómica del elemento. El silicio cristalino utilizado principalmente en electrónica consiste en una estructura similar a un diamante. Cada celda unitaria está formada por 8 átomos en un enrejado de bravuconería arreglo. Esto hace que el silicio puro sea muy estable a temperatura ambiente en comparación con otros materiales como el germanio.
Por lo tanto, el silicio puro se ve menos afectado por el agua, el ácido o el vapor. Además, a mayor temperatura en estado fundido, el silicio forma fácilmente óxidos y nitruros e incluso aleaciones.

4. Estructura de silicona

Las propiedades físicas del silicio también contribuyen a su popularidad y uso como material semiconductor.

• El silicio tiene una banda prohibida de energía moderada de 1,12 eV a 0 K. Esto hace que el silicio sea un elemento estable en comparación con el germanio y reduce el riesgo de fuga de corriente. La corriente inversa está en nanoamperios y es muy baja.
• La estructura cristalina del silicio consiste en una estructura reticular cúbica centrada en las caras con una densidad de empaquetamiento del 34 %. Esto permite una fácil sustitución de átomos de impurezas en ubicaciones de red vacías. En otras palabras, la concentración de dopaje es bastante alta, alrededor de 10^21 átomos/cm^3.

También mejora la posibilidad de añadir impurezas como el oxígeno como átomos intersticiales en la red cristalina. Esto imparte una fuerte resistencia mecánica a las obleas contra diferentes tipos de tensión, como térmica, mecánica o gravitacional.

• El voltaje directo de los diodos de silicio es de 0,7 V, que es mayor que el de los diodos de germanio. Esto los hace más estables y mejora los usos del silicio como rectificadores.

5. Dióxido de silicio

La última razón, pero no la menos importante, de la enorme popularidad del silicio es la facilidad con la que forma óxidos. El dióxido de silicio es el aislante más utilizado en la tecnología de circuitos integrados debido a su naturaleza química extremadamente estable en comparación con otros óxidos como el germanio, que es soluble en agua y se descompone a una temperatura de 800 grados centígrados.

El dióxido de silicio puede crecer térmicamente usando oxígeno en obleas de silicio a una temperatura más alta o depositarse usando silano y oxígeno.

El dióxido de silicio se utiliza:

• En técnicas de fabricación de circuitos integrados como grabado, difusión, implantación de iones, etc.
• En dieléctricos para dispositivos electrónicos.
• Como una capa ultrafina para dispositivos MOS y CMOS. De hecho, esto ha aumentado la gran popularidad de los dispositivos CMOS de alta impedancia de entrada.
• En dispositivos 3D utilizando tecnología MEMs.

Estas son las razones principales del uso creciente del silicio en la electrónica. Esperamos que ahora tenga una comprensión clara y un razonamiento adecuado de por qué el silicio se utiliza como material semiconductor para desarrollar proyectos basados ​​en la electrónica. Aquí hay una pregunta simple pero intrigante para usted: ¿por qué no se usa silicio en LED y fotodiodos?

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