In der Praxis wird eine dünne Schicht Silizium auf mit Germanium dotiertes Silizium aufgebracht, wodurch es zu einer Verspannung kommt. Aufgrund der geringen Abmessungen ist jedoch eine experimentelle Bestimmung der physikalischen Eigenschaften sehr schwierig. Hier liegt aber gerade die große Stärke von ab initio Berechnungen. So können ohne viel Aufwand physikalische Eigenschaften (strukturelle, thermische, elektronische usw.) bestimmt werden, für welche verschiedenste experimentelle Meßanordnungen nötig wären. Zudem wird bei der Berechnung der elektronischen Eigenschaften die genaue Struktur mitbestimmt. Dies ermöglicht Rückschlüsse über den Zusammenhang zwischen Kristallgitter und anderen physikalischen Größen.  Daher erfolgt zunächst in Abs. 1 die Strukturbestimmung von SiGe. In Abs. 2 werden mit Hilfe der aus Abs. 1 gewonnenen Struktur die elektronischen Eigenschaften des verspannten Siliziums berechnet. Zur Demonstration wird eine Dotierung mit 25% Germanium verwendet Si₃Ge.

Verspannen von Silizium zur Verbesserung der Leitfähigkeit

MOSFET's zählen zu den wichtigsten Bauelementen der Halbleiterindustrie.
Die Weiterentwicklung beruht vor allem auf der fortschreitenden Verkleinerung dieser Bauelemente, welche allerdings immer mehr an ihre Grenzen gerät. Dabei sind unerwünschte Nebenerscheinungen unvermeidbar. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von MOSFETs, ohne diese zu verkleinern, ist die Verspannung des Siliziums. Die Verspannung führt durch eine Veränderung der Bandstruktur zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Dadurch können die Elektronen den Kanal schneller passieren und der Transistor schneller schalten. Allerdings ist das Anbringen einer mechanischen Spannung auf sehr kleinen Längenskalen schwer realisierbar[1].
Eine Lösung bietet die Dotierung mit Elementen aus der 5. Hauptgruppe.
Aufgrund der gleichen Gitterstruktur und der unterschiedlichen Gitterkonstante dieser Elemente, führt das Einbringen von Germanium oder Kohlenstoff zu einer Vergrößerung des Kristallvolumens. Lässt man nun auf solch eine SiGe Struktur eine dünne Schicht Silizium aufwachsen, so versucht dieses die größere Gitterkonstante anzunehmen. Dadurch kommt es zu einer Streckung in der entsprechenden Ebene. Am 8 Juni 2001 kündigte IBM erstmals den Einsatz von verspannten Silizium an und erreichte damit eine Geschwindigkeitssteigerung ihrer Chips um 35%.

Um die Ergebnisse optimal miteinander vergleichen zu können, wurden die FCC-Gitter von Si und Ge, zum Vergleich mit berechnet. Die Volumen der 16-atomigen Zellen betragen  V_Si=2.1304*10³ Bohr³,  V_Ge=2.856*10³ Bohr³  und  V_Si3Ge=2.163*10³ Bohr³. Aufgrund des geringeren Volumens der Siliziumzelle, wird die Zelle bei der Dotierung mit Germanium größer (siehe Abb. 2).

Die Ausdehnung der SiGe-Zelle bestimmt nun die Streckung des Siliziumgitters. Da die Siliziumzelle versucht ihr Volumen konstant zu halten, findet im Gegensatz zur Streckung in der x-y-Ebene eine Stauchung in z-Richtung statt (siehe Abb. 3).