Quando usar qual semicondutor?


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Então eu sei que o silício é o semicondutor mais comum por aí. Mas também sei que existem inúmeras outras opções; carboneto de silício, germânio, liga SiGe, arseneto de gálio, fosfeto de alumínio e gálio, o telureto de mercúrio e cádmio de mercúrio que soa aterrorizante ...

Então, quais propriedades levariam um designer de dispositivo a escolher um sobre os outros? Entendo que, para LEDs e diodos a laser que correspondam ao bandgap para fornecer a energia correta do fóton, seria um motivo, mas existem outros?

O germânio costumava ser o semicondutor preferido, mas foi inicializado pelo silício bastante cedo, e agora é quase impossível encontrar componentes de germânio. Por que é que? Da mesma forma, ninguém mais usa retificadores de selênio (embora tenham desvantagens mais óbvias, como a ridiculamente baixa tensão de ruptura reversa e seu tamanho físico).

Há muitos pontos de interrogação nesta pergunta; Espero que não sejam muitos. Embora eu esteja curioso sobre isso, gostaria de também torná-lo um recurso para outras pessoas usarem, por isso tentei cobrir o máximo possível de terreno sem me afastar muito do assunto.


Eu acho que seria melhor manter a questão mais focada removendo a parte sobre os dopantes. Custa apenas o dobro para fazer uma segunda pergunta para cobrir essa parte.
The Photon

Sim, eu estava considerando isso. Acho que provavelmente terei, se alguém tiver o mesmo pensamento.
Hearth

Respostas:


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O silício tem muitas vantagens que o tornaram o material semicondutor dominante:

  • Um óxido nativo. Esta é a chave para o desenvolvimento do MOSFET.
  • Robustez física relativamente boa. Alguns outros materiais concorrentes são mais frágeis, levando a perdas na produção simplesmente devido à quebra mecânica das bolachas.
  • Abundância na natureza. O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, facilitando a mineração, embora refinar a pureza necessária para a eletrônica ainda seja um esforço significativo.

Além disso, como o silício é tão amplamente utilizado, as economias de escala tornam muito mais barato produzir chips ou dispositivos em silício do que em outros semicondutores.

Portanto, se o silício fizer o trabalho, quase sempre escolheremos o silício para obter baixo custo.

Podemos escolher outros materiais se precisarmos

  • Um material de abertura direta, normalmente para fontes ópticas como LEDs.
  • Um intervalo de banda específico. Por exemplo, para fotodiodos para detectar comprimento de onda de 1550 nm, é necessário um intervalo de banda menor que cerca de 0,8 eV.
  • Alta mobilidade de operadora, o que permite dispositivos de maior frequência. Para isso, você verá materiais como SiGe, GaAs, GaN ou InP usados.
  • Uma constante de treliça específica, para o crescimento de um material epitaxialmente em um substrato de outro material. A capacidade de projetar a constante da rede e o intervalo de banda é o motivo pelo qual são utilizados compostos ternários e quaternários como o GaAlAsP.

Deixarei de lado a questão de como os dopantes são escolhidos porque 1) não sei quase nada sobre isso e 2) a escolha dos dopantes provavelmente é diferente para cada material semicondutor.


Eu mudei o pouco sobre os dopantes para uma pergunta diferente de qualquer maneira!
Hearth

(+1) excelente resposta. Eu esclareceria o ponto sobre o óxido nativo. Esse óxido, SiO2, é um excelente isolante, comparado a outros óxidos (os vários tipos de vidro são SiO2 amorfo com alguns materiais "dopantes", afinal!). A sílica fundida (SiO2) está no final da escala da maioria da tabela de materiais "isolador versus condutor".
Lorenzo Donati - Codidact.org

@LorenzoDonati, sim. Além disso, outros semicondutores têm óxidos nativos, mas são problemáticos de outras maneiras. O germânio é solúvel em água, por exemplo.
The Photon
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