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C
Si
Ge
Z = Nº
atómico
6
14
32
Estructura
electrónica
[He]2s2 2p2
[Ne]3s2 3p2
[Ar]3d10 4s2
4p2
Varios
estados
alotrópicos
1410
940
2,52 × 10-4
1,45
1
1,51
1,59
P.F. (ºC)
Conductividad
(W-1m-1)
Radio atómico
relativo
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
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
GeO2 + 2Mg
Si + CO2
Ge + 2MgO
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.
enlace covalente
Las especiales propiedades eléctricas
de estos materiales está relacionada
con estos electrones apareados…
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…
…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
Si
S
0,56 x 108
2,52 × 10-4
0,5 x 10-15
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
3 y 5 electrones de valencia
InP
En “promedio” tienen 4
electrones de valencia
CdS
2 y 6 electrones de valencia
CdTe
Esta descripción es válida para los materiales “puros”. Pequeñísimas concentraciones 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.
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).
Dos métodos para obtener Si monocristalino
a) Método de Czochralski
b) Método de Zona flotante
Método de Czochralski
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
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.
Los óxidos.
La misma fórmula estequiométrica
CO2
SiO2
GeO2
Muy diferentes propiedades...
…y estructura
Existen moléculas
individuales con esa
composición
Es una macromolécula
cristalina
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.