solidos cristalinos en Física Electrónica

2. Estructura cristalina, propiedades y aplicaciones
de:
SILICIO
GERMANIO
GALIO

3. EL SILICIO
El silicio es un elemento químico metaloide, número
atómico 14 y situado en el grupo 14 de la tabla
periódica de los elementos formando parte de la familia
de los carbonoideos de símbolo Si. Es el segundo
elemento más abundante en la corteza terrestre (27,7 %
en peso) después del oxígeno. Se presenta en forma
amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco,
más activo que la variante cristalina, que se presenta en
octaedros de color azul grisáceo y brillo metálico.

4. ESTRUCTURA CRISTALINA DEL SILICIO

5. PROPIEDADES
 Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas
tetrafluoruro de silicio, SiF4 (ver flúor), y es atacado
por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque
el dióxido de silicio formado inhibe la reacción.
También se disuelve en hidróxido de sodio, formando
silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas
ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a
temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno
formando una capa de sílice que impide que
continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona
también con nitrógeno y cloro formando nitruro de
silicio y cloruro de silicio respectivamente.

6. PROPIEDADES
 El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en
estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio
y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio
constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes,
incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas
volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina,
crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y
tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la
naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la
arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y
magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el
suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos,
micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino,
granate, zircón, topacio y turmalina.

7. APLICACIONES
 Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la
industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material
semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria
electrónica y microelectrónica como material básico para la creación
de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares
y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento
vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un
importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la
producción de cemento portland. Por sus propiedades
semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares
y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce
como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que
concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la
informática. Otros importantes usos del silicio son:

8. APLICACIONES
 Como material refractario, se usa en cerámicas,
vidriados y esmaltados.
 Como elemento fertilizante en forma de mineral
primario rico en silicio, para la agricultura.
 Como elemento de aleación en fundiciones.
 Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.
 El carburo de silicio es uno de los abrasivos más
importantes.
 Se usa en láseres para obtener una luz con una
longitud de onda de 456 nm.
 La silicona se usa en medicina en implantes de seno
y lentes de contacto.

9. APLICACIONES
 Se utiliza en la industria del acero como componente de las
aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se
desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas
cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un
0,30 % de silicio. El acero al silicio, que contiene de 2,5 a 4%
de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los
transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja
histéresis (ver Magnetismo). Existe una aleación de acero, el
durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y
resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos
industriales que están en contacto con productos químicos
corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de
cobre, como el bronce y el latón.

10. APLICACIONES
 El silicio es un semiconductor; su resistividad a la
corriente eléctrica a temperatura ambiente varía
entre la de los metales y la de los aislantes. La
conductividad del silicio se puede controlar
añadiendo pequeñas cantidades de impurezas
llamadas dopantes. La capacidad de controlar las
propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en
la naturaleza han posibilitado el desarrollo y
aplicación de los transistores y circuitos integrados
que se utilizan en la industria electrónica.

11. APLICACIONES
 La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio,
barnices, esmaltes, cemento y porcelana, y tienen
importantes aplicaciones individuales. La sílice fundida, que
es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando
tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente
de dilatación y una alta resistencia a la mayoría de los
productos químicos. El gel de sílice es una sustancia incolora,
porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de
un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2·H2O, el cual
se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de
silicato de sodio. El gel de sílice absorbe agua y otras
sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.

12. APLICACIONES
 El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un
silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble
en agua, que funde a 1088 °C. Se obtiene haciendo
reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta
temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio
concentrado a alta presión. La disolución acuosa de silicato
de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de
la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores;
para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y
como relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro
compuesto de silicio importante es el carborundo, un
compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.

13. APLICACIONES
 El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales,
recubriéndolos de forma que la superficie exterior se oxida al
dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de
interferencias.
 Fue identificado por primera vez por Antoine Lavoisier en
1787.
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

14. EL GERMANIO
El germanio es un elemento químico con número
atómico 32, y símbolo Ge perteneciente al grupo 4 de
la tabla periódica de los elementos.

15. ESTRUCTURA CRISTALINA DEL GERMANIO

16. PROPIEDADES
 Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco
grisáceo lustroso, quebradizo, que conserva el brillo a
temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura
cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis.
 Forma gran número de compuestos órgano metálicos y es un
importante material semiconductor utilizado en transistores y
foto detectores. A diferencia de la mayoría de
semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda
prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a
la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de
baja intensidad.

17. PROPIEDADES
Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo:
 Fibra óptica.
 Electrónica: radares y amplificadores de guitarras eléctricas usados por músicos
nostálgicos del sonido de la primera época del rock and roll; aleaciones SiGe en
circuitos integrados de alta velocidad. También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge
para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon).
 Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos.
 Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios.
 En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio.
 Como elemento endurecedor del aluminio, magnesio y estaño.
 Quimioterapia.
 El tetracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la
síntesis de polímeros (PET).
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Germanio

18. EL GALIO
El galio es un elemento químico
de la tabla periódica de número
atómico 31 y símbolo Ga.

19. ESTRUCTURA CRISTALINA DEL GALIO

20. PROPIEDADES
 El galio es un metal blando, grisáceo en estado líquido y
plateado brillante al solidificar, sólido deleznable a bajas
temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la de la
ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando
se lo agarra con la mano por su bajo punto de fusión (28,56
°C). El rango de temperatura en el que permanece líquido es
uno de los más altos de los metales (2174 °C separan sus
punto de fusión y ebullición) y la presión de vapor es baja
incluso a altas temperaturas. El metal se expande un 3,1% al
solidificar y flota en el líquido al igual que el hielo en el agua.

21. PROPIEDADES
 Presenta una acusada tendencia a sub enfriarse por debajo
del punto de fusión (permaneciendo aún en estado líquido)
por lo que es necesaria una semilla (un pequeño sólido
añadido al líquido) para solidificarlo. La cristalización no se
produce en ninguna de las estructuras simples; la fase estable
en condiciones normales es ortorrómbica, con 8 átomos en
cada celda unitaria en la que cada átomo sólo tiene otro en
su vecindad más próxima a una distancia de 2,44 Å y estando
los otros seis a 2,83 Å. En esta estructura el enlace químico
formado entre los átomos más cercanos es covalente siendo
la molécula Ga2 la que realmente forma el entramado
cristalino.

22. APLICACIONES
 La principal aplicación del galio (arseniuro de galio) es la
construcción de circuitos integrados y dispositivos opto
electrónicos como diodos láser y LED.
 Se emplea para dopar materiales semiconductores y construir
dispositivos diversos como transistores.
 En termómetros de alta temperatura por su bajo punto de
fusión.
 El galio se alea con facilidad con la mayoría de los metales y
se usa en aleaciones de bajo punto de fusión.
 El isótopo Ga-67 se usa en medicina nuclear.

23. APLICACIONES
 Se ha descubierto recientemente que aleaciones galio-aluminio en
contacto con agua produce una reacción química dando como
resultado hidrógeno. Este método para la obtención de hidrógeno no es
rentable, ni ecológico, ya que requiere la doble fundición del aluminio,
con el consiguiente gasto energético.
 También se ha descubierto más recientemente que una aleación de
galio- antimonio sumergida en agua y en la cual incide la luz solar
provoca la separación de las moléculas de agua en hidrógeno y
oxígeno. Gracias al uso potencial de esta aleación no será necesario el
uso de combustibles fósiles para generar hidrógeno a partir del agua,
reduciendo con ello las emisiones de CO2.
Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Galio