O silício e o germânio são semicondutores?

Tanto o silício quanto o germânio podem ser usados como semicondutores intrínsecos na fabricação de dispositivos de estado sólido. Na Tabela Periódica dos Elementos, o germânio (número atômico 32) ocupa a posição diretamente abaixo do silício (número atômico 14).

Por estarem na mesma coluna, sabemos que o silício e o germânio têm o mesmo número de elétrons em sua camada externa ou de valência. Os átomos de germânio têm uma camada a mais do que os átomos de silício, mas o que torna as propriedades semicondutoras interessantes é o fato de ambos terem quatro elétrons na camada de valência.

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Como consequência, ambos os materiais se constituem prontamente como redes de cristal. Os átomos substituídos alteram as propriedades elétricas. O processo de adição desses átomos é conhecido como dopagem. A dopagem pode ocorrer passando um gás sobre o material cristalino, às vezes por várias horas. Se o material dopante for composto de átomos com cinco elétrons de valência, haverá elétrons extras livres e um semicondutor do tipo n será produzido. Se o material dopante é composto de átomos com três elétrons de valência, há uma deficiência de elétrons livres e um semicondutor do tipo p é produzido.

Em vez de dizer que há uma deficiência de elétrons livres, podemos dizer que o semicondutor tem um excedente de lacunas. Um buraco é a ausência de um elétron. Isso pode ser simplesmente uma questão de semântica, mas essa é a terminologia costumeira.

Os dopantes que têm cinco elétrons de valência e fazem semicondutores do tipo n são antinomia, arsênico e fósforo. Os dopantes que têm três elétrons de valência e fazem semicondutores do tipo p são o boro, o alumínio e o gálio. Os mesmos dopantes são usados para semicondutores de silício e germânio.

O silício é o principal componente da areia comum e, por esse motivo, é mais barato do que outros materiais semicondutores intrínsecos. Mas em quantidades tão pequenas, o custo da matéria-prima nem sempre é decisivo. Historicamente, o germânio foi usado como semicondutor antes do silício. O detector de RF do bigode do gato pode ser encontrado nos primeiros conjuntos de cristais. Mas, em geral, o silício é mais fácil de processar do que o germânio, capaz de lidar com níveis de potência mais elevados, tem menos vazamento de polarização reversa e é mais estável em temperaturas mais altas.

O silício e o germânio também podem ser formados em uma liga de silício-germânio com uma fórmula molecular da forma Si1−xGex. O silício-germânio serve como um semicondutor em circuitos integrados para transistores bipolares de heterojunção ou como uma camada indutora de deformação para transistores CMOS.

Aqui, a heterojunção se refere à interface entre duas camadas ou regiões de semicondutores cristalinos diferentes. Os dois materiais semicondutores têm lacunas de banda desiguais. (Se suas lacunas de banda fossem iguais, a interface seria uma homojunção.)

O semicondutor SiGe permite que a lógica CMOS se integre com transistores bipolares de heterojunção. Os transistores bipolares heterojuncionais têm maior ganho direto e menor ganho reverso do que os transistores bipolares homojuncionais típicos para ajudar a obter um melhor desempenho de baixa corrente e alta frequência. Por ser uma tecnologia de heterojunção com um intervalo de banda ajustável, o SiGe permite mais ajuste de intervalo de banda do que a tecnologia somente de silício.

SiGe-on-insulator (SGOI) é análogo à tecnologia Silicon-On-Insulator empregada em chips de computador. O SGOI aumenta a velocidade dos transistores tensionando a estrutura do cristal sob a porta do transistor MOS, melhorando a mobilidade do elétron e aumentando as correntes de acionamento. Os MOSFETs de SiGe também podem fornecer menor vazamento de junção devido ao menor valor de intervalo de banda do SiGe.