Semiconductores: ¿Por qué el silicio es el mejor material para un circuito integrado?

El silicio, junto con un intervalo de banda bajo de 1.1eV, forma [math] \ mathrm {SiO_2} [/ math] fácil y fácilmente. Es la sílice la que está detrás del dominio del silicio en la industria de los semiconductores.

Relación Pilling-Bedworth

Esta es una figura de mérito metalúrgica muy antigua, dada en un mundo más joven en 1923. Es la relación entre los volúmenes molares del óxido de metal y el volumen molar correspondiente del metal requerido para formar dicho óxido.

Se podría expresar como:
[matemática] \ matemática {R_ {PB} = \ frac {V_ {m, óxido}} {V_ {m, metal}}} [/ matemática]

La relación Pilling-Bedworth es extremadamente importante en los estudios de corrosión, porque determina qué tan buena será la cobertura de la interfaz de óxido en un metal, y si esa interfaz de óxido protegerá el metal subyacente de la corrosión.
Si la proporción es mucho menor que 1, entonces el óxido formado no podrá cubrir toda la superficie del metal y el metal continuará oxidándose. Si es superior a 2, la película de óxido se arrugará y expondrá nuevamente el metal subyacente a la corrosión. Para obtener los mejores resultados, deseamos relaciones entre 1 y 2.

Ahora echemos un vistazo a algunas relaciones de Pilling-Bedworth:

• Hierro: 2.95
• Aluminio: 1.28
• Silicio: 1.88

Nota: las entradas de wikipedia para las proporciones son casi todas incorrectas. Seguí adelante y calculé estos valores yo mismo.

Entonces, el aluminio y el silicio podrían ser pasivados por sus capas de óxido, mientras que el hierro no podría serlo. Esto es exactamente lo que observamos en la vida real.

De hecho, una relación tan favorable no existe para casi ningún otro semiconductor. Aparte de esto, [math] \ mathrm {SiO_2} [/ math] tiene un alto punto de fusión y es químicamente muy estable. Existe para la interfaz [math] \ mathrm {Ge-GeO_2} [/ math] (1.7), pero no es tan químicamente estable como [math] \ mathrm {SiO_2} [/ math].

[math] \ mathrm {\ kappa} [/ math] o permitividad relativa

Los MOSFET necesitan dieléctricos para sus dieléctricos de puerta. Más alto [math] \ mathrm {\ kappa} [/ math], mejor (mayor capacitancia) es su puerta. [math] \ mathrm {SiO_2} [/ math] tiene un [math] \ mathrm {\ kappa} [/ math] de 3.9, que es bastante alto.

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Estos dos factores hacen que la interfaz silicio-dióxido de silicio sea la interfaz más intensamente estudiada. El silicio, junto con el acero, es también el material más investigado de la historia.

Sin embargo, el silicio no es perfecto. Tiene un intervalo de banda más alto que el germanio, que tiene un intervalo de banda de 0.7eV. Además, es un semiconductor de banda prohibida indirecta, a diferencia de los semiconductores III-V como GaAs.

Sin embargo, con la miniaturización continua, la ventaja dieléctrica del silicio está desapareciendo rápidamente. Ya estamos utilizando óxido de hafnio (IV) como dieléctricos en chips comerciales. Con [math] \ mathrm {SiO_2} [/ math] dejando lentamente la imagen, ahora estamos explorando otros semiconductores, especialmente GaAs y germanio.

Teniendo en cuenta que el primer diodo semiconductor se fabricó con germanio, es interesante que volvamos al material desde el que comenzamos este increíble viaje.

El silicio, junto con un intervalo de banda bajo de 1.1eV, forma SiO2 [matemática] SiO2 [/ matemática] fácil y fácilmente. Es la sílice la que está detrás del dominio del silicio en la industria de los semiconductores.

Relación Pilling-Bedworth

Esta es una figura de mérito metalúrgica muy antigua, dada en un mundo más joven en 1923. Es la relación entre los volúmenes molares del óxido de metal y el volumen molar correspondiente del metal requerido para formar dicho óxido.

Se podría expresar como:
RP − B = Vm, óxidoVm, metal [matemática] RP − B = Vm, óxidoVm, metal [/ matemática]

La relación Pilling-Bedworth es extremadamente importante en los estudios de corrosión, porque determina qué tan buena será la cobertura de la interfaz de óxido en un metal, y si esa interfaz de óxido protegerá el metal subyacente de la corrosión.
Si la proporción es mucho menor que 1, entonces el óxido formado no podrá cubrir toda la superficie del metal y el metal continuará oxidándose. Si es superior a 2, la película de óxido se arrugará y expondrá nuevamente el metal subyacente a la corrosión. Para obtener los mejores resultados, deseamos relaciones entre 1 y 2.

Ahora echemos un vistazo a algunas relaciones de Pilling-Bedworth:

• Hierro: 2.95
• Aluminio: 1.28
• Silicio: 1.88

Nota: las entradas de wikipedia para las proporciones son casi todas incorrectas. Seguí adelante y calculé estos valores yo mismo.

Entonces, el aluminio y el silicio podrían ser pasivados por sus capas de óxido, mientras que el hierro no podría serlo. Esto es exactamente lo que observamos en la vida real.

De hecho, una relación tan favorable no existe para casi ningún otro semiconductor. Aparte de esto, SiO2 [matemática] SiO2 [/ matemática] tiene un alto punto de fusión y es químicamente muy estable. Existe para la interfaz Ge − GeO2 [matemática] Ge − GeO2 [/ matemática] (1.7), pero no es tan químicamente estable como SiO2 [matemática] SiO2 [/ matemática].

κ [matemáticas] κ [/ matemáticas] o permitividad relativa

Los MOSFET necesitan dieléctricos para sus dieléctricos de puerta. A mayor κ [matemática] κ [/ matemática], mejor (mayor capacitancia) es su puerta. SiO2 [matemática] SiO2 [/ matemática] tiene una κ [matemática] κ [/ matemática] de 3.9, que es bastante alta.

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Estos dos factores hacen que la interfaz silicio-dióxido de silicio sea la interfaz más intensamente estudiada. El silicio, junto con el acero, es también el material más investigado de la historia.

Sin embargo, el silicio no es perfecto. Tiene un intervalo de banda más alto que el germanio, que tiene un intervalo de banda de 0.7eV. Además, es un semiconductor de banda prohibida indirecta, a diferencia de los semiconductores III-V como GaAs.

Sin embargo, con la miniaturización continua, la ventaja dieléctrica del silicio está desapareciendo rápidamente. Ya estamos utilizando óxido de hafnio (IV) como dieléctricos en chips comerciales. Con SiO2 [matemática] SiO2 [/ matemática] dejando lentamente la imagen, ahora estamos explorando otros semiconductores, especialmente GaAs y germanio.

Teniendo en cuenta que el primer diodo semiconductor se fabricó con germanio, es interesante que volvamos al material desde el que comenzamos este increíble viaje.

Una razón importante, y es la misma razón por la cual se decide la mayoría de las cosas: el costo.

Son abundantes y muy baratos, ya que se derivan esencialmente de la suciedad. (Arena = SiO2 = óxido de silicio )

Muchas veces, no se trata de lo que es mejor, sino de lo que es más comercialmente viable. (Hay muchos ejemplos de este tipo)

Después de todo, el dinero lo es todo .

Tiene una buena separación de banda, no es raro, resiste bien las altas temperaturas, forma buenos óxidos aislantes y agradables siliciuros conductores de aluminio y titanio.

Un material muy agradable. Puede hacer semiconductores con varios otros elementos, y algunos tienen mejores propiedades que el silicio, pero seguramente cuestan mucho y son difíciles de fabricar.

Algunas buenas respuestas aquí, pero déjenme agregar algo:
Bell Labs comenzó a investigar Si debido a la facilidad con que una pequeña cantidad de un elemento diferente cambiaría drásticamente las propiedades eléctricas. El primer transistor fue diseñado a partir de Si, utilizando este efecto de dopaje.