El silicio germanio (SiGe) es ahora un semiconductor popular que se ha disparado en su producción desde los años 90. Pero este semiconductor no alcanzó el éxito de la noche a la mañana. De hecho, la combinación de silicio y germanio fue descubierta por accidente.

El descubrimiento involuntario de SiGe

En las décadas de 1970 y 1980, el investigador de IBM, Dr. Bernard Meyerson, dejó caer accidentalmente un pequeño trozo de silicio que acababa de limpiar en ácido fluorhídrico en el suelo. Cuando enjuagó la oblea de silicio bajo el agua para limpiarla de cualquier suciedad en el suelo, notó que era repelente al agua.

Los chips SiGe se convirtieron en una variación de los transistores CMOS utilizados en los circuitos integrados de IBM. Imagen utilizada por cortesía de IBM

Más tarde, Meyerson descubrió que cuando el silicio se limpiaba en ácido fluorhídrico, se formaría una capa protectora de hidrógeno, negando la necesidad de calentar el silicio a 1000 ° C para eliminar el óxido contaminante del silicio. A 600 ° C, la capa de hidrógeno se expulsa y crea óxido. Este descubrimiento permitió a los científicos de IBM cultivar germanio de silicio a 550 ° C.

Las fortalezas de SiGe

La tecnología SiGe ha recorrido un largo camino desde su descubrimiento y comercialización accidental. Desde entonces, los diseñadores de circuitos han descubierto que este material es más eficiente que el silicio, en términos de consumo de energía y rendimiento, al tiempo que aumenta la frecuencia y las capacidades de oscilación de un dispositivo.

Rectificadores de SiGe. Imagen utilizada por cortesía de Nexperia

La colección de rectificadores SiGe de Nexperia presenta voltajes inversos de 120 V, 150 V y 200 V. La compañía describe estos rectificadores SiGe como un cambio de juego para los diseñadores, ya que pueden soportar 175 ° C grados antes de que entre en funcionamiento la fuga térmica, lo que permite un espacio operativo seguro.
Los diseñadores pueden aprovechar esta capacidad térmica, aumentando la eficiencia de su diseño sin depender de diodos de recuperación rápida para manejar altas temperaturas.

Telecomunicaciones
Debido a que SiGe tiene un voltaje de saturación más bajo que el silicio, puede usarse en aplicaciones de alta corriente. Maxim Integrated ilustra este punto en un artículo sobre cómo la tecnología SiGe mejora el rendimiento del front-end RF.
Maxim comparó su transistor bipolar SiGe GST-3 con su transistor GST-2 de silicio, mostrando la diferencia en ganancia frente a ruido. En la figura a continuación, puede ver que el GST-3 tiene un mayor rendimiento y menos ruido que el GST-2.

Los transistores bipolares SiGe demuestran alta ganancia y bajo ruido. Imagen utilizada por cortesía de Maxim Integrated

Se puede procesar un rango de señal más grande y de mayor calidad cuando se usa SiGe.

Solar
La forma en que se cultiva SiGe también puede contribuir al rendimiento y la versatilidad de SiGe, una realidad demostrada por la NASA.
Los investigadores de la NASA descubrieron que al cultivar SiGe en sustratos de zafiro utilizando un método de crecimiento de celosía cristalizada, podrían usar la misma oblea para cultivar una capa de nitruro de galio o nitruro de galio indio en el lado opuesto. El resultado final: una pantalla LED con capacidad solar.

El proceso patentado de la NASA para desarrollar obleas semiconductoras alineadas con cristales frente a procesos existentes. Imagen utilizada por cortesía de la NASA.

Las aplicaciones solares suelen tener tasas de conversión de baja energía (generalmente del 15% al ​​20%). Pero con las células solares SiGe, ese número puede aumentar potencialmente a 30% -40% en eficiencia de conversión de energía. El uso de SiGe de cristal único también puede mejorar la vida operativa de un sistema de paneles solares de 25 a 30 años a aproximadamente 80 años.
También vale la pena señalar que la mayoría de los materiales utilizados para aplicaciones solares son más caros y menos abundantes que SiGe.

Las compensaciones de SiGe

Si bien SiGe es útil en aplicaciones que requieren una mayor movilidad de electrones, tiene compensaciones que los diseñadores deben tener en cuenta. Por ejemplo, el silicio sigue siendo el rey cuando se trata de dispositivos que funcionan a temperaturas extremadamente altas. Y aunque el SiGe cuesta menos que el arseniuro de galio (GaAs), es más costoso que el silicio.
Aunque el silicio y el germanio son materiales abundantes, tienen un alto costo cuando se combinan en un laboratorio. Afortunadamente, la creciente popularidad de SiGe lo ha hecho más accesible en los últimos años, especialmente en componentes diseñados para entornos automotrices, de telecomunicaciones y solares.

¿Qué piensa sobre SiGe como material semiconductor? ¿Has encontrado aplicaciones en las que fue especialmente útil? Desde su perspectiva, ¿cuáles son las compensaciones de SiGe? Comparte tus experiencias en los comentarios a continuación.