Desde electrodomésticos y ordenadores “simples” hasta células solares, transistores de efecto de campo y drones
El líder indiscutible de la industria en estos momentos es el silicio.Pero no es adecuado para todos los dispositivos; además, las propiedades físicas del semiconductor limitan las posibilidades de una mayor miniaturización y aumento de la potencia de los chips y la creación de dispositivos flexibles. Afortunadamente, existen otros materiales alternativos.
Te contamos cómo funcionan los semiconductores y quéexisten alternativas prometedoras al silicio para la creación de microelectrónica. Puede leer más sobre el mercado en general en la edición de julio del resumen sobre robótica “Microelectrónica. Cuanto menos, mejor”, elaborado por la Universidad de Innopolis.
que es un semiconductor
Un semiconductor es un material que, de acuerdo con sus características específicasla conductividad es intermedia entre los conductores y los dieléctricos. Por lo general, es un sólido cristalino. Conduce electricidad bajo ciertas condiciones, lo que lo hace ideal para controlar el flujo de corriente.
Semiconductores en su estado normal de conductapoca o ninguna corriente lo bloquea. Pero con un aumento de temperatura o bajo la influencia de la luz, comienzan a transmitir mejor las cargas eléctricas. Además, la conductividad de los semiconductores cambia cuando se introduce una impureza; este proceso se denomina dopaje.
Diferencia importante entre un semiconductor y un conductor.radica en el hecho de que la corriente que contiene es transportada no solo por los electrones, sino también por las vacantes que dejan: los agujeros. Los huecos que quedan en la banda de valencia pueden ser ocupados por electrones de estados de energía más bajos y, por tanto, contribuir al flujo de corriente.
Una de las características clave de un semiconductor eses la movilidad de los portadores de carga (electrones y huecos). Este es un coeficiente que muestra la relación entre la velocidad promedio de las partículas y el campo eléctrico externo aplicado. La movilidad de los electrones y los huecos puede ser diferente, por ejemplo, en el silicio a temperatura ambiente, las partículas cargadas negativamente se mueven casi tres veces más rápido que las positivas.
Además, los semiconductores varían en ancho.zona prohibida. Esta es la energía mínima requerida para mover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Para metales y otros semiconductores, es igual a 0, y cuando se alcanza un nivel de 4 eV o más, el material se vuelve dieléctrico.
Otra característica importante de los semiconductores es la conductividad térmica. Muestra con qué rapidez y facilidad será posible eliminar el calor de los componentes para proteger el dispositivo contra el sobrecalentamiento.
Silicio
El silicio es superado solo por el carbono en términos deabundancia de un elemento químico en la Tierra. Su principal ventaja es que es fácil de extraer, los cristales de silicio son relativamente fáciles de trabajar y proporcionan buenas propiedades eléctricas y mecánicas en general. Incluso a pesar de la movilidad relativamente baja de electrones y huecos, sigue siendo el material óptimo para la producción microelectrónica.
Otra ventaja es que cuandocuando se utiliza en circuitos integrados, forma óxido de silicio de alta calidad, que actúa como una capa aislante entre varios elementos activos.
Para aumentar la densidad de los elementos yvelocidad de los circuitos integrados, se utilizan combinaciones de elementos de silicio monocristalino y policristalino. Y para aumentar la conductividad del silicio policristalino, se dopa.
Los semiconductores de silicio se utilizan ampliamente paracreación de circuitos integrados, transistores bipolares y de efecto de campo, dispositivos de carga acoplada, fotodiodos de alta velocidad y muchos otros dispositivos. Y los productos basados en silicio, como los MOSFET o IGBT de superunión, se pueden usar en una amplia gama de voltajes (desde unos pocos hasta varios cientos de voltios) y en varias clases de potencia.
Germanio
Vivimos en la era del “silicio”, y tal vezPuede parecer que la microelectrónica comenzó con este material, pero el germanio fue el primero. Se utilizó en muchos de los primeros dispositivos, desde diodos de detección de radar hasta los primeros transistores. Hasta finales de los años 60, fue el principal semiconductor utilizado en dispositivos electrónicos, y sólo a principios de los años 70 fue sustituido por el silicio.
El nuevo "campeón" es mucho más común,Es más barato de producir y tiene una banda prohibida más amplia y mejor conductividad térmica. Pero el germanio también tiene su ventaja: los portadores de carga de este material son mucho más móviles.
Por ejemplo, a una temperatura de 300 K (alrededor de 27°C), los electrones del “primer” semiconductor se mueven casi tres veces más rápido que los del silicio, y los huecos se mueven casi cuatro veces más rápido.
Aunque el germanio no es adecuado para los modernosmicroelectrónica, debido a estas propiedades todavía se usa en algunos dispositivos de radiofrecuencia. Por ejemplo, se utiliza para crear dispositivos de microondas, equipos de audio, así como equipos de precisión y de bajo consumo.
arseniuro de galio
El arseniuro de galio es el segundo mássemiconductor común en uso hoy en día. A diferencia del silicio y el germanio, el arseniuro de galio es un compuesto, no un elemento, y se obtiene combinando galio trivalente con arsénico, que tiene cinco electrones de valencia.
Gran banda prohibida y altoLa movilidad de los electrones hace que los dispositivos de arseniuro de galio respondan rápidamente a las señales eléctricas, lo que hace que este compuesto sea adecuado para amplificar señales de alta frecuencia. Además, este material ha demostrado su eficacia a altas temperaturas y buena resistencia a la radiación.
El arseniuro de galio se ha utilizado durante mucho tiempo enmicroelectrónica, por lo que se depura la producción de dispositivos basados en ella. Debido a sus propiedades especiales, el material se utiliza principalmente para crear dispositivos microelectrónicos de microondas: circuitos integrados digitales y analógicos, transistores de efecto de campo discretos y diodos de Gunn, que funcionan sin unión p-n a expensas de los propios fondos del material. Además, los microcircuitos a base de arseniuro de galio se utilizan en la fabricación de teléfonos móviles, dispositivos de microondas, dispositivos de comunicación por satélite y algunos sistemas de radar.
Sin embargo, es un material quebradizo con menosmovilidad del agujero que el silicio, lo que hace imposible crear dispositivos como, por ejemplo, transistores CMOS, circuitos electrónicos de alta velocidad y ahorro de energía. También es relativamente difícil de fabricar, lo que aumenta el costo de los dispositivos de arseniuro de galio. Y tiene una conductividad térmica bastante baja, lo que aumenta el riesgo de sobrecalentamiento de los dispositivos.
Materiales del futuro
— diamantes
El diamante tiene una banda prohibida superior a 3 eV, por lo que, por definición, es un dieléctrico. Sin embargo, cuando se añaden impurezas, la piedra preciosa se convierte en un semiconductor.
Teóricamente semiconductor de diamanteLos dispositivos tienen excelentes propiedades físicas, que incluyen alta conductividad térmica, intensidad de campo disruptivo y movilidad de los portadores. Esto reducirá significativamente las pérdidas, disipará rápidamente el calor y aumentará la vida útil de los dispositivos. Además, puede funcionar con una potencia de salida y una eficiencia energética 50 000 veces superiores a los dispositivos de silicio y una frecuencia 1200 veces superior.
Sin embargo, para aplicaciones industriales en electrónicaLos dispositivos semiconductores requieren obleas de diamante de gran tamaño y alta calidad. Aunque los intentos de crear herramientas de diamante se han producido durante muchos años. Hasta el momento, no se han resuelto los problemas asociados con la aleación y el procesamiento del material.
— Grafeno
El grafeno es una modificación alotrópica bidimensionalcarbón. El grafeno tiene el potencial de superar al silicio como material semiconductor versátil, predice McKinsey, pero podrían pasar hasta 25 años antes de su comercialización generalizada.
La característica clave de este material es la flexibilidad,por lo tanto, se pueden producir varios dispositivos complejos a partir de él. Este material se considera prometedor para su uso posterior, y existen institutos completos en todo el mundo dedicados a la investigación y el desarrollo en el campo del grafeno.
Puede ser útil en una variedad de industrias:desde las modernas redes de energía y las energías alternativas hasta la biomedicina. En microelectrónica, el grafeno se puede utilizar en microprocesadores ultrasensibles, elementos de computadoras cuánticas y sensores con parámetros extremos.
— Arseniuro de boro
En julio de 2022, los investigadoresdel MIT dijeron que habían encontrado el mejor semiconductor conocido. Resultó ser arseniuro de boro cúbico. Este material es un compuesto de arsénico y boro.
Su conductividad térmica es 10 veces mayor que la desilicio Además, a diferencia de este último y del arseniuro de galio, el semiconductor a base de boro demuestra una alta movilidad no sólo para los electrones, sino también para los huecos.
Aunque los científicos dicen que este materialpotencialmente capaz de reemplazar al silicio, pero, como con el grafeno, esto todavía está muy lejos. Por ejemplo, primero debe desarrollar formas económicas de producir este material con alta calidad.
A pesar de la gran popularidad y eficacia.Se necesitan semiconductores de silicio, análogos. Los fabricantes se ven empujados a ello por dos factores a la vez. En primer lugar, la tecnología casi ha llegado a un límite más allá del cual será imposible crear dispositivos cada vez más pequeños y potentes. Y en segundo lugar, el aumento constante de la demanda de silicio provoca su aumento de precio.
La crisis productiva que surgió durante la pandemiaEl coronavirus ha demostrado lo peligroso que es depender de una sola fuente. Por ello, empresas y científicos de todo el mundo están trabajando para crear una alternativa. Sin embargo, se puede suponer que, debido al bajo costo, la disponibilidad y la producción bien establecida de dispositivos de silicio, este material ocupará una posición de liderazgo en la microelectrónica durante algún tiempo.
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