Pourquoi le silicium est-il préféré au germanium ?
Le silicium est préféré au germanium principalement en raison de sa stabilité thermique supérieure et de sa plage de températures de fonctionnement plus large. Les semi-conducteurs en silicium peuvent résister à des températures plus élevées que le germanium sans dégradation significative de leurs performances. Cette caractéristique est cruciale pour les dispositifs semi-conducteurs utilisés dans diverses applications où la fiabilité et la longévité sont essentielles, comme dans les circuits intégrés (CI), les cellules solaires et l’électronique de puissance. De plus, le silicium a une meilleure résistance mécanique et est moins sujet aux défaillances induites par des contraintes mécaniques que le germanium, ce qui le rend plus adapté à la production de masse et à diverses applications de semi-conducteurs.
Le silicium et le germanium sont principalement utilisés comme semi-conducteurs en raison de leurs structures atomiques, qui les rendent adaptés au contrôle de la conductivité électrique. Les deux éléments ont une structure cristalline qui leur permet de conduire l’électricité dans certaines conditions, par exemple lorsqu’ils sont dopés avec des impuretés spécifiques pour créer des matériaux semi-conducteurs de type p et de type n. Cette propriété constitue la base des dispositifs semi-conducteurs comme les diodes, les transistors et les circuits intégrés, qui sont des composants fondamentaux de l’électronique moderne. La capacité de contrôler sélectivement la conductivité par dopage rend le silicium et le germanium indispensables dans la fabrication de semi-conducteurs.
Le silicium est préféré au germanium dans les photodétecteurs et les dispositifs photovoltaïques (PV), principalement en raison de sa moindre sensibilité aux variations de température et de sa meilleure réponse aux longueurs d’onde infrarouges. Les photodétecteurs et les cellules solaires à base de silicium présentent une efficacité et une stabilité supérieures sur une plage de températures plus large que le germanium. Cet avantage est essentiel pour les applications où des performances constantes dans des conditions environnementales variables sont essentielles, comme dans les systèmes de récupération d’énergie solaire et de communication optique. De plus, le silicium est abondant, rentable et compatible avec les processus de fabrication de semi-conducteurs existants, ce qui le rend plus pratique pour la production à grande échelle de dispositifs photoniques.
Les principaux inconvénients du germanium par rapport au silicium comprennent une stabilité thermique moindre, une plage de températures de fonctionnement plus étroite et un coût de production plus élevé. Les semi-conducteurs au germanium sont plus sensibles à l’emballement thermique à des températures élevées, ce qui limite leur application dans les dispositifs et environnements haute puissance nécessitant un fonctionnement fiable sur de longues périodes. De plus, le germanium est moins abondant et plus coûteux à raffiner et à traiter que le silicium, ce qui affecte sa faisabilité pour une adoption généralisée dans la fabrication de semi-conducteurs. Ces facteurs contribuent à la domination du silicium dans l’industrie des semi-conducteurs malgré l’utilisation historique du germanium.
Le germanium présente une conductivité électrique plus élevée que le silicium, principalement en raison de sa bande interdite plus étroite et de sa concentration intrinsèque de porteurs plus élevée à température ambiante. La concentration intrinsèque de porteurs fait référence au nombre d’électrons libres et de trous disponibles pour la conduction dans un matériau semi-conducteur sans dopage externe. La bande interdite plus étroite du germanium permet à davantage d’électrons de passer de la bande de valence à la bande de conduction à température ambiante, ce qui entraîne une conductivité plus élevée que celle du silicium. Cette propriété rend le germanium adapté à certaines applications spécialisées où une conductivité élevée et des propriétés électroniques uniques sont avantageuses, malgré ses limites par rapport au silicium dans la technologie traditionnelle des semi-conducteurs.