Il silicio è preferito al germanio principalmente per la sua stabilità termica superiore e l’intervallo di temperature operative più ampio. I semiconduttori al silicio possono resistere a temperature più elevate rispetto al germanio senza un significativo degrado delle prestazioni. Questa caratteristica è fondamentale per i dispositivi a semiconduttore utilizzati in varie applicazioni in cui affidabilità e longevità sono essenziali, come nei circuiti integrati (IC), nelle celle solari e nell’elettronica di potenza. Inoltre, il silicio ha una migliore resistenza meccanica ed è meno soggetto a guasti indotti da stress meccanico rispetto al germanio, rendendolo più adatto alla produzione di massa e a diverse applicazioni di semiconduttori.
Il silicio e il germanio sono utilizzati principalmente come semiconduttori grazie alle loro strutture atomiche, che li rendono adatti al controllo della conduttività elettrica. Entrambi gli elementi hanno una struttura cristallina che consente loro di condurre elettricità in determinate condizioni, ad esempio quando drogati con impurità specifiche per creare materiali semiconduttori di tipo p e di tipo n. Questa proprietà costituisce la base di dispositivi a semiconduttore come diodi, transistor e circuiti integrati, che sono componenti fondamentali nell’elettronica moderna. La capacità di controllare selettivamente la conduttività attraverso il drogaggio rende il silicio e il germanio indispensabili nella produzione di semiconduttori.
Il silicio è preferito al germanio nei fotorilevatori e nei dispositivi fotovoltaici (PV) principalmente per la sua minore sensibilità alle variazioni di temperatura e una migliore risposta alle lunghezze d’onda degli infrarossi. I fotorilevatori e le celle solari a base di silicio mostrano efficienza e stabilità più elevate su un intervallo di temperature più ampio rispetto al germanio. Questo vantaggio è fondamentale per le applicazioni in cui sono essenziali prestazioni costanti in condizioni ambientali variabili, come nella raccolta dell’energia solare e nei sistemi di comunicazione ottica. Inoltre, il silicio è abbondante, economico e compatibile con i processi di fabbricazione dei semiconduttori esistenti, rendendolo più pratico per la produzione su larga scala di dispositivi fotonici.
I principali svantaggi del germanio rispetto al silicio includono una minore stabilità termica, un intervallo di temperature operative più ristretto e costi di produzione più elevati. I semiconduttori al germanio sono più suscettibili alla fuga termica a temperature elevate, limitando la loro applicazione in dispositivi e ambienti ad alta potenza che richiedono un funzionamento affidabile per periodi prolungati. Inoltre, il germanio è meno abbondante e più costoso da raffinare e lavorare rispetto al silicio, il che influisce sulla sua fattibilità per un’adozione diffusa nella produzione di semiconduttori. Questi fattori contribuiscono al predominio del silicio nell’industria dei semiconduttori, nonostante il precedente utilizzo storico del germanio.
Il germanio mostra una conduttività elettrica più elevata rispetto al silicio principalmente a causa del suo gap di banda più stretto e della maggiore concentrazione di portatori intrinseci a temperatura ambiente. La concentrazione intrinseca del portatore si riferisce al numero di elettroni e lacune liberi disponibili per la conduzione in un materiale semiconduttore senza drogaggio esterno. La banda proibita più stretta del germanio consente a più elettroni di spostarsi dalla banda di valenza alla banda di conduzione a temperatura ambiente, con conseguente maggiore conduttività rispetto al silicio. Questa proprietà rende il germanio adatto per alcune applicazioni specializzate in cui l’elevata conduttività e le proprietà elettroniche uniche sono vantaggiose, nonostante i suoi limiti rispetto al silicio nella tecnologia dei semiconduttori tradizionale.