¿Por qué es necesario el silicio en la fabricación de semiconductores?

¿Puedes hacer un diodo simplemente conectando una pieza de material tipo N como el fósforo a un material tipo P como el galio? ¿Por qué se añaden al silicio?

No son materiales de tipo n y p, son simplemente dopantes de metal/no metal agregados al silicio para crear semiconductores de tipo n y p. Si es el semiconductor real aquí.
Mis OC72 dicen que no lo es.
774400, el silicio y el germanio son metaloides. Ver aquí _ Nota: no existe una definición estándar aceptada ni un acuerdo sobre lo que es y no es un metaloide. Pero se acepta que Si y Ge son metaloides. El fósforo no es un metaloide. La física del estado sólido para los cristales de silicio (2-8-4) y germanio (2-8-18-4) es apropiada (el estaño es similar al 2-8-18-18-4 pero es demasiado conductor a temperatura ambiente). Y la purificación de silicio se entiende bien, es relativamente segura y sus bolas (con o sin dopantes) se extraen fácilmente de la masa fundida.
@774400:¿Qué es el material "tipo N" y "tipo P"?
@ 774400: En el título, pregunta por qué se necesita Si para fabricar semiconductores . (Por cierto, no lo necesita para hacer un semiconductor; es un semiconductor). En el cuerpo de su publicación, pregunta qué se necesita para hacer un diodo. Esas son cosas diferentes.
Enlace a la página de Wikipedia de Semiconductores .
Puede hacer un diodo conectando casi dos materiales diferentes. De hecho, los diodos no deseados ocurren todo el tiempo cuando se trata de electricidad. Será un buen diodo es otra cuestión. Y, a veces, uno quiere un mal diodo, por ejemplo, para hacer un contacto entre el buen diodo y sus conductores metálicos.

Respuestas (5)

En primer lugar, el silicio no es necesario para fabricar semiconductores, ni siquiera para hacer funcionar los dispositivos semiconductores. Los primeros transistores comercialmente exitosos fueron el germanio, y otros materiales semiconductores (p. ej., selenio, óxido de cobre, etc.) se utilizaron para fabricar rectificadores antes de que aparecieran los transistores. Más allá de eso, hay una gran cantidad de otros materiales semiconductores (como el arseniuro de galio) que funcionan, algunos incluso comercialmente.

En segundo lugar, existen restricciones específicas sobre lo que hace que un semiconductor funcione en un dispositivo semiconductor. Un tratamiento completo se reduce a la física cuántica del mismo, que no estoy inclinado, ni completamente calificado, ni tengo el espacio para describir completamente aquí. Básicamente, sin embargo, los dispositivos semiconductores funcionan porque los estados disponibles para que existan electrones dentro del material están separados. Esto conduce a los términos "banda de valencia", "banda de conducción" y "banda prohibida". Necesita un material que admita distintas bandas de valencia y conducción, y que pueda ajustarse para ser de tipo P o de tipo N. Todos los materiales semiconductores hacen esto.

El galio elemental tiene bandas de conducción y valencia superpuestas, por lo que es un metal. Puede ser parte de un semiconductor, pero no es un semiconductor. El fósforo elemental tiene bandas de conducción y valencia que están tan separadas que es un aislante. Puede ser parte de un semiconductor, pero no es un semiconductor.

No creo que haya un límite en el número de caracteres para una respuesta, así que técnicamente tienes espacio ;)
No estoy tan seguro de que el fósforo elemental sea siempre un aislante. El fósforo blanco estoy bastante seguro de que lo es, pero no me sorprendería si el fósforo rojo o negro resultara tener algunas propiedades conductoras o semiconductoras.
@Hearth Te escucho, pero a los efectos de mi respuesta, voy a fingir que no lo hice. El fósforo en realidad tiene una brecha de banda bastante modesta (que cambia con el alótropo). Pero aun así voy a mantener mis dedos firmemente asentados en mis oídos.
El fósforo tiene pocas fases más o menos estables en condiciones normales y difieren mucho en su estructura de bandas. Creo que el rojo es un semiconductor (más o menos) y la variedad negra es un metal (más o menos, de nuevo).
@DonQuiKong ¡Tener el espacio no significa que se deba usar el espacio!
@OrangeDog ah bueno, ahora que surge la pregunta, ¿alguien puede explicar la mecánica cuántica de los semiconductores en 30k caracteres?

Una unión PN necesita un semiconductor. Este es un material que está 'a medio camino' entre un conductor y un aislante. No es solo que se conduzca menos bien que un metal; es que los portadores (electrones y huecos) en el material están restringidos a diferentes niveles de energía (piense en los pisos de un edificio). También necesita dos conjuntos de niveles claramente diferentes para un cruce PN.

Además, no es 'solo conectar' lo que se necesita. La estructura cristalina debe ser continua a lo largo de la unión o, de lo contrario, los niveles de energía se "esparcerán" y no se producirá el comportamiento deseado (conducción en una sola dirección).

Tenga en cuenta que no solo el silicio es un semiconductor práctico: el germanio lo es. Los semiconductores también están hechos de arseniuro de galio (como en los LED); nitruro de galio (GaN, utilizado en circuitos de RF de alta frecuencia como transmisores de teléfonos móviles 5G), carburo de silicio (SiC, a menudo utilizado en vehículos eléctricos para impulsar el motor) e incluso diamante para circuitos de temperatura extremadamente alta.

Fundamentalmente, necesita un no metal cristalino (que, por lo tanto, tiene distintos niveles de energía), una separación entre estos niveles que no sea demasiado grande (para que puedan fluir niveles prácticos de corriente); no demasiado pequeño (o fluirá demasiada corriente; el germanio está en este rango); y es práctico para el dopaje (que cambia los niveles de energía). El silicio es extremadamente adecuado para esto: es abundante (por lo que es de bajo costo); fácilmente purificado; robusto (fuerte); fácil de dopar, pero químicamente bastante inerte.

El silicio también tiene otras propiedades deseables, como el hecho de que el dióxido de silicio, que se produce fácilmente en una oblea, es un aislante bastante bueno.
El silicio tampoco es un semiconductor de banda prohibida directa. La banda prohibida directa es bastante impresionante para un dispositivo LED, ya que la recombinación radiativa es muy fácil. Pew-pew ooh bonito! No es tan genial que la unidad de su procesador deje de parpadear todos sus 1 debido a la recombinación radiativa. pew-pew whoops, pantalla azul. Por lo tanto, alguna separación de momento de mínimos y máximos es para mejor.
Los MOSFET no parpadearían mucho incluso si estuvieran hechos de material de banda prohibida directa.
@StianYttervik Creo que los circuitos eléctricos que conducen al almacenamiento de 0 y 1 están una o dos capas por encima de las propiedades de los electrones en el material semiconductor. No representamos un 1 por la presencia de electrones en la banda de conducción. Más bien, está representado por un voltaje alto aquí y un voltaje bajo allá, y la diferencia de voltaje proviene del diseño del circuito eléctrico general y no de las piezas individuales de material semiconductor.
@ user253751 Cierto, estaba siendo hiperbólico. No obstante, la recombinación es un factor importante del rendimiento de un semiconductor que promueve el uso de una banda prohibida indirecta. Necesitaría campos más fuertes en las uniones para garantizar que la recombinación no sea un problema, lo que a su vez conduce a pérdidas óhmicas y posiblemente a un grosor mínimo mayor de las diferentes zonas dopadas.

Los rectificadores de semiconductores se han utilizado desde la década de 1920. Típicamente usando Óxido de Cobre o Selenio

Los rectificadores metálicos consisten en discos en forma de arandela de diferentes metales, ya sea de cobre (con una capa de óxido para proporcionar la rectificación) o de acero o aluminio, enchapados con selenio. Los discos suelen estar separados por manguitos espaciadores para proporcionar refrigeración.

No lo es. Y el fósforo, en su forma alotrópica llamada fósforo negro, es en realidad un semiconductor y podría usarse; el problema es que es caro .

El fósforo negro (BP), un material semiconductor en capas bidimensional (2D) novedoso, ha atraído una gran atención desde 2014 debido a su prominente movilidad de portador, banda prohibida directa dependiente del grosor y propiedades físicas anisotrópicas en el plano. BP se ha considerado como un material prometedor para muchas aplicaciones, como transistores, fotónica, optoelectrónica, sensores, baterías y catálisis. Sin embargo, el desarrollo de BP se vio obstaculizado por su inestabilidad en condiciones ambientales, así como por la falta de métodos para sintetizar nanopelículas 2D de gran área y alta calidad.

El nitruro de galio es un semiconductor III/V (tres-cinco). Es mejor conocido como el LED azul que es la base para fabricar los miles y miles de millones de LED blancos que hay en el mercado. Los LED blancos son diodos de nitruro de galio (GaN) con algunos fósforos para hacer que las emisiones verde y roja formen un LED "blanco".

Hay un interés creciente en los semiconductores GaN para transistores y empresas como CUI están utilizando transistores GAN fabricados comercialmente para fuentes de alimentación de alta frecuencia (indicadores más pequeños, menos ondulación, menos pérdida de calor, etc.). Además, GaN se puede usar para hacer que los circuitos funcionen de manera eficiente a frecuencias mucho más allá de donde el silicio comienza a volverse ineficiente (muy ineficiente). Las frecuencias de microondas superiores a 70 GHz utilizadas para radares automotrices no son un problema para GaN.

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