La lista esencial de materiales electrónicos
1 Introducción
Los materiales electrónicos desempeñan un papel absolutamente crucial en el panorama en rápida evolución de la electrónica moderna. Son los componentes básicos que sustentan la funcionalidad y el rendimiento de una amplia gama de dispositivos electrónicos, desde los omnipresentes teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles hasta los más sofisticados equipos aeroespaciales y médicos. Estos materiales determinan las propiedades eléctricas, térmicas, mecánicas y ópticas de los dispositivos, dictando así sus capacidades y limitaciones.
El desarrollo y la innovación de materiales electrónicos han sido la fuerza motriz del progreso continuo de la industria electrónica. Con la creciente demanda de productos electrónicos más pequeños, más rápidos, más eficientes energéticamente y más fiables, la búsqueda y utilización de materiales electrónicos avanzados se ha vuelto más urgente que nunca. En las siguientes secciones, nos embarcaremos en una exploración en profundidad de varios materiales electrónicos clave, como el silicio, el carburo de silicio, el germanio, los compuestos de galio, los materiales a base de carbono, los materiales conductores y aislantes y los materiales magnéticos. Al conocer sus propiedades únicas, sus procesos de fabricación y sus diversas aplicaciones, podremos obtener una perspectiva completa de la importancia y el potencial de estos materiales para dar forma al futuro de la electrónica.
2 Silicio y materiales afines
Elsilicio (Si), de número atómico 14, es un material duro y quebradizo, cristalino, cuasimetálico y semiconductor, con formas tanto amorfas como cristalinas, que abunda en la corteza terrestre. El silicio tiene cuatro electrones de valencia en la capa más externa del átomo y es químicamente relativamente estable, por lo que es difícil que reaccione con otras sustancias a temperatura ambiente. Como material semiconductor, la conductividad eléctrica del silicio aumenta con el incremento de la temperatura y se utiliza ampliamente en diversos dispositivos electrónicos.
En la extracción y producción de silicio, el silicio amorfo suele obtenerse reduciendo el dióxido de silicio con magnesio. En cambio, el silicio cristalino se produce en un horno eléctrico reduciendo el dióxido de silicio con carbono. El silicio semiconductor de gran pureza puede prepararse mediante la reducción con hidrógeno del cloruro de silicio. El silicio monocristalino suele fabricarse por el método Czochralski o fusión zonal (método FZ), mientras que el silicio policristalino se cultiva por solidificación direccional.
El silicio tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria electrónica, especialmente como sustrato de chips en circuitos integrados, donde es un material ideal para fabricar transistores. Además, el silicio monocristalino, el silicio policristalino y las películas delgadas de silicio se utilizan ampliamente en las células solares. En el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los sensores, el silicio se utiliza en la fabricación de acelerómetros, giroscopios y sensores de presión. El silicio también se utiliza en la electrónica de potencia para fabricar dispositivos semiconductores de potencia como los MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) y los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada). En el campo de la optoelectrónica, los fotodiodos de silicio se utilizan ampliamente en sistemas de comunicación óptica.
Las ventajas del silicio son sus abundantes reservas, su utilización sostenible, su pureza controlada y su bajo coste. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes, como su bajo rendimiento a altas temperaturas y su estrecho bandgap, que limitan su uso en aplicaciones de alta velocidad y alta frecuencia.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 1 - Silicio
Fig.1 Productos de silicio
3 Carburo de silicio (SiC)
Elcarburo de silicio (SiC) es un material semiconductor de banda ancha con gran dureza, buena conductividad térmica, alta temperatura y resistencia a la corrosión. Su fórmula química es SiC, y existen varias estructuras cristalinas, las más comunes son α-SiC y β-SiC. El carburo de silicio producido industrialmente muestra diferentes colores debido a las distintas impurezas. Mediante técnicas de dopaje, es posible modificar su estructura de niveles de energía y ajustar así sus propiedades electrónicas y otras propiedades físicas.
Los principales procesos de fabricación del carburo de silicio son la fusión y la deposición química en fase vapor (CVD). El método de fusión forma carburo de silicio mezclando y fundiendo silicio y grafito a altas temperaturas y enfriándolos después. La deposición química de vapor deposita SiC en la superficie del sustrato mediante una reacción química en fase gaseosa y se utiliza habitualmente para producir materiales de película fina de alta calidad.
El carburo de silicio se utiliza en una gran variedad de aplicaciones. En electrónica de potencia, el SiC se utiliza en dispositivos de conversión de potencia para mejorar la eficiencia de los vehículos eléctricos y los sistemas de energías renovables. En dispositivos de alta temperatura y alta frecuencia, el SiC es adecuado para estaciones base 5G y electrónica militar por su capacidad para mantener un funcionamiento estable en condiciones extremas. Además, el SiC desempeña un papel en las aplicaciones de LED y optoelectrónica, utilizado inicialmente en LED azules y ahora para la detección de luz en longitudes de onda específicas. En el campo de los sensores, el SiC se utiliza habitualmente para la detección en entornos de alta temperatura, alta presión y radiación debido a su fiabilidad en entornos extremos. La alta fiabilidad del SiC también lo hace popular para aplicaciones aeroespaciales y de defensa.
La ventaja del carburo de silicio es su excelente rendimiento a alta temperatura, alta presión y alta frecuencia, que proporciona una alta eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, también presenta algunos inconvenientes, como su elevado coste, su complejo proceso de fabricación y la necesidad de seguir mejorando la fiabilidad de sus dispositivos.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 2 - Carburo de silicio
Fig. 2 Chip de carburo de silicio
4 Germanio y materiales relacionados
El germanio(Ge) es un elemento semiconductor con un número atómico de 32 y una estructura cristalina similar a la del diamante. El germanio tiene una densidad de 5,323 g/cm³, un punto de fusión de 937,4°C y un punto de ebullición de 2833°C. Como material semiconductor, el germanio tiene un bandgap de 0,66 eV y presenta una buena conductividad eléctrica a bajas temperaturas, con especial excelencia en propiedades optoelectrónicas infrarrojas. Sin embargo, el germanio tiene una baja conductividad térmica y un alto grado de fragilidad, propiedades que limitan su rendimiento en determinadas aplicaciones.
El proceso de fabricación del germanio se suele utilizar para preparar germanio monocristalino mediante el método de estirado recto (método Czochralski) y el método de solidificación de gradiente vertical (método VGF). En el método de estirado recto, el germanio líquido fundido se arrastra a través de la cristalización para obtener monocristales, mientras que el método de solidificación de gradiente vertical guía el crecimiento de los cristales controlando el gradiente de temperatura para garantizar su calidad y pureza.
El germanio tiene importantes aplicaciones en varios campos. En la electrónica de alta velocidad, el germanio se utiliza en transistores de alta frecuencia y dispositivos de comunicación inalámbrica, ya que posee una elevada movilidad de electrones que favorece el procesamiento de señales de alta velocidad. Además, el germanio es un importante material óptico infrarrojo y se utiliza ampliamente en detectores de infrarrojos y sistemas de imagen. Debido a sus buenas propiedades optoelectrónicas, el germanio también se dopa en fibras ópticas para mejorar su rendimiento y se utiliza en comunicaciones ópticas, dispositivos de conversión fotovoltaica y células solares. En los circuitos integrados, el germanio se combina con el silicio para formar aleaciones que mejoran aún más el rendimiento. El germanio también se utiliza en la fabricación de láseres semiconductores, dispositivos de carga acoplada (CCD) y LIDAR, y tiene aplicaciones potenciales en informática cuántica y tecnología cuántica.
Las principales ventajas del germanio son su alta movilidad electrónica, su baja banda prohibida, su alta transmitancia infrarroja y su buena compatibilidad con el silicio, lo que lo hace idóneo para su uso en áreas como las células solares de alta eficiencia y la computación cuántica. Sin embargo, también presenta importantes inconvenientes, como su baja conductividad térmica, su elevado precio, la dificultad de crecimiento de los cristales y su restringida escala de producción industrial, lo que supone un reto para el uso generalizado del germanio.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 3 - Germanio
Fig. 3 Germanio para la fabricación de chips
5 Compuestos de galio
Óxido de galio (Ga2O3): semiconductor de banda ancha con diversas estructuras cristalinas, como β-Ga2O3, α-Ga2O3, etcétera. Es químicamente estable y puede reaccionar con diversas sustancias. Puede prepararse por el método de reducción directa, el método de deposición química de vapor y el método ácido. Ampliamente utilizado en electrónica de potencia, dispositivos optoelectrónicos (como detectores ultravioleta y LED ultravioleta profundo), sensores y otros campos, la escala del mercado está creciendo rápidamente y la cadena industrial está mejorando gradualmente.
Arseniuro de galio (GaAs): sólido negro grisáceo, punto de fusión 1238 °C, es un importante semiconductor compuesto Ⅲ-V, con estructura cristalina cúbica, excelentes propiedades electrónicas, bajo ruido y alto voltaje de ruptura. Se prepara principalmente por Solidificación Gradiente Vertical (VGF), Dibujo Directo Encapsulado en Líquido (LEC), Bridgman Horizontal (HB), Deposición de Vapor Químico (CVD), y otros métodos. Se utiliza ampliamente en microondas, optoelectrónica, comunicaciones, células solares, microelectrónica y otros campos.
Nitruro de galio (GaN): La estructura cristalina consiste en una red de átomos de galio y nitrógeno con una amplia banda prohibida directa, alta dureza, alta conductividad térmica, buena estabilidad química y otras características. Se cultiva mediante reacciones de deposición química de vapor, como MOCVD y otros métodos. Se utiliza ampliamente en nuevos dispositivos electrónicos (por ejemplo, dispositivos de alta potencia y alta frecuencia), dispositivos optoelectrónicos (por ejemplo, dispositivos emisores de luz de longitud de onda corta), sensores y otros campos, lo que fomenta el progreso tecnológico relacionado.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 4 - Compuestos de galio
Fig. 4 Materiales semiconductores de óxido de galio
6 Materiales a base de carbono
Grafeno: estructura monocapa en la que los átomos de carbono se hibridan con sp² para formar una red hexagonal en forma de panal, con excelentes propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas. Con una elevada movilidad de electrones, tiene aplicaciones potenciales en circuitos integrados, transistores de efecto campo, diodos orgánicos emisores de luz, sensores químicos y dispositivos optoelectrónicos.
Nanotubos de carbono (CNT): Dispuestos por átomos de carbono en una estructura de tubo circular coaxial, con propiedades eléctricas únicas, divididos en nanotubos de carbono metálicos y semiconductores. Pueden utilizarse para fabricar transistores de efecto de campo de alto rendimiento, sensores electrónicos, células solares, etc. para mejorar el rendimiento de los dispositivos relacionados.
Fullerenos (Fullerenes): son moléculas huecas compuestas de átomos de carbono, como C60, etc., con propiedades ópticas, eléctricas y químicas especiales. Tienen importantes aplicaciones en condensadores, adhesivos conductores, aplicaciones optoelectrónicas, etc., y pueden mejorar la conductividad de los electrodos y la densidad de almacenamiento de energía, etc.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 5 - Materiales a base de carbono
Fig. 5 Grafeno
7 Materiales conductores y aislantes
Materiales conductores: metales y aleaciones debido a la facilidad del electrón exterior del átomo de metal para formar electrones libres y conductores, con alta conductividad eléctrica, buena conductividad térmica y resistencia mecánica, como el cobre, la plata, el aluminio y sus aleaciones en el alambre y el cable, equipos electrónicos, y otros campos son ampliamente utilizados; cerámica conductora conducir la electricidad a través de la migración iónica o el transporte de electrones, tanto de alta temperatura y resistencia a la corrosión, tales como óxido de indio y estaño (ITO) para pantallas táctiles, etc .vidrio conductor por el sustrato de vidrio y la composición de la película conductora superficial, con conductividad transparente para células solares, pantallas de visualización, etc.; materiales superconductores a temperaturas específicas con resistencia cero y completamente antimagnéticos. Vidrio conductor: compuesto por el sustrato de vidrio y la película conductora superficial, con conductividad transparente, utilizado en células solares, pantallas, etc.; materiales superconductores a una temperatura específica con resistencia cero y completamente antimagnéticos, divididos en superconductividad a baja temperatura, superconductividad a alta temperatura y otros tipos de superconductividad en transmisión de energía, medicina, transporte, tecnología de la información y otros campos son ampliamente utilizados.
Materiales aislantes: materiales aislantes inorgánicos como el vidrio, la cerámica, la mica, etc., con alta resistividad, buena resistencia al calor, resistencia mecánica y estabilidad química, utilizados para el aislamiento eléctrico, como el vidrio para aisladores de alta tensión, la cerámica utilizada para el aislamiento de transformadores, etc.; materiales aislantes poliméricos como el PVC, la poliimida (PI), el politetrafluoroetileno (PTFE), etc., con diferentes propiedades y características aislantes. Son adecuados para diferentes equipos electrónicos y entornos.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 6 - Materiales conductores y aislantes
Fig. 6 Materiales cerámicos para electrónica
8 Materiales magnéticos
Materiales magnéticos duros (imanes permanentes): como las aleaciones de alnico, las aleaciones de titanio-cobalto, los imanes permanentes de cobalto de tierras raras, etc., que pueden mantener el magnetismo durante mucho tiempo después de la magnetización y tienen una alta coercitividad, una alta remanencia y un producto de alta energía magnética, y se utilizan en motores eléctricos, dispositivos electrónicos de vacío y dispositivos de microondas.
Materiales magnéticos blandos: como los imanes blandos de acero al silicio, ferrita magnética blanda, etc., baja coercitividad, alta permeabilidad, fácil de magnetizar y desmagnetizar, ampliamente utilizados en transformadores, motores, inductores, blindaje electromagnético y otros equipos electrónicos, pueden reducir la pérdida de energía, mejorar la eficiencia.
Aleaciones magnéticas: compuestas de hierro y otros elementos metálicos, se dividen en aleaciones magnéticas blandas y aleaciones magnéticas duras, que se utilizan ampliamente en los campos de la electrónica, las comunicaciones, la energía, etc., como el neodimio-hierro-boro (NdFeB) utilizado en motores eléctricos, etc., y las aleaciones de aluminio-níquel-cobalto utilizadas en entornos especiales de alta temperatura. Las propiedades de los materiales magnéticos, como la permeabilidad, la densidad de flujo de saturación, la coercitividad, etc., son fundamentales para el rendimiento de los dispositivos electrónicos y desempeñan un papel clave en fuentes de alimentación, transformadores, almacenamiento de datos, motores, sensores, comunicaciones inalámbricas y otros equipos.
Más información: Materiales electrónicos esenciales: Parte 7 - Materiales magnéticos
Fig. 7 Imanes de NdFeB
9 Conclusión
En conclusión, los materiales electrónicos son la base de la electrónica moderna. El silicio ha ocupado un lugar destacado, pero están surgiendo materiales como el carburo de silicio y los compuestos de galio. Los materiales basados en el carbono ofrecen nuevas oportunidades. Los materiales conductores, aislantes y magnéticos también son vitales. Las tendencias de desarrollo apuntan hacia un mayor rendimiento y fiabilidad. Se hacen esfuerzos para mejorar materiales como el carburo de silicio y el nitruro de galio. La investigación sobre materiales basados en el carbono se centra en la síntesis y la integración. La investigación y la innovación continuas son cruciales. Responden a las demandas existentes y hacen posibles nuevas tecnologías. Explorar y optimizar los materiales es esencial para el progreso de la industria electrónica.
Stanford Advanced Materials (SAM) es un proveedor clave de materiales electrónicos de alta calidad, que respalda estas aplicaciones críticas con soluciones materiales fiables.
