Además del silicio: la búsqueda de nuevos semiconductores

Nuestro mundo moderno se basa en semiconductores. Además de la computadora, a los teléfonos móviles y cámaras digitales, Los semiconductores son un componente clave de un número cada vez mayor de dispositivos. Pensar en las luces LED, lámparas de bajo consumo CFL están reemplazando el hogar, junto con todo lo que tiene una pantalla iluminada o un circuito de control: coches, refrigeradores, hornos, cafeteras y más.

Mientras que muchas personas han oído hablar de silicio y Silicon Valley, No se dan cuenta que esto es sólo un ejemplo de una clase entera de materiales.

Pero el silicio utilizado en todo tipo de ordenadores y aparatos electrónicos tiene sus límites técnicos, en particular, porque los ingenieros están tratando de utilizar dispositivos electrónicos para producir o procesar la luz. La búsqueda de nuevos semiconductores está activo. ¿Dónde va a estas innovaciones de materiales?

¿Qué es un semiconductor?

Como su nombre indica, Los semiconductores son materiales que conducen la electricidad a algunas temperaturas, pero no a los demás – a diferencia de la mayoría de los metales, que son conductoras a cualquier temperatura, y aislantes tales como vidrio, plástico y piedra, por lo general no conducen la electricidad.

sin embargo, esto no es su rasgo más importante. Si se construye correctamente, estos materiales pueden cambiar la energía eléctrica que se mueve a través de ellos, limitando las direcciones en las que los flujos y amplificar una señal.

La combinación de estas propiedades es la base de diodos y transistores que componen todos los aparatos modernos. Estos elementos de circuito realizan una multitud de tareas, incluyendo la conversión de electricidad a partir de la toma de corriente en algo utilizable por los dispositivos y el procesamiento de información en forma de cero y uno.

La luz también puede ser absorbida en el semiconductor y transformada en corriente eléctrica y voltaje. El proceso funciona bien a la inversa, lo que permite la emisión de luz. El uso de esta propiedad, Fabricamos láser, luci un LED, cámaras digitales y muchos otros dispositivos.

El aumento de silicio

Aunque todo esto suena muy moderno, fecha de descubrimientos de semiconductores original de nuevo a los años 30.

El selenio también se utiliza para hacer algunas de las primeras células solares en 1880.

Antigua selenio célula solar

El selenio fue descubierto por el químico Berzelius en 1817 y 1873 Smith descubrió que su resistividad fue una función de la intensidad de la iluminación que cae sobre la superficie del material. La primera célula de selenio fue fabricado por Siemens en 1876, y se hizo enrollando dos alambres de platino delgada sobre la superficie de una hoja de mica, y luego cubriendo la superficie con una película delgada de selenio fundido. La gran relación de superficie a volumen era necesario porque la fotoconductividad es un efecto de superficie, mientras que la resistividad de selenio es bastante alto.

La célula de selenio fue utilizado como un detector para un sistema de comunicación óptico desarrollado por Alexander Graham Bell en 1879-1880, el área activa es el pequeño rectángulo central.

Una limitación clave fue la incapacidad para purificar los elementos utilizados. impurezas pequeñas, pequeño como uno de un gazillion, o lo 0,0000000001 por ciento, Podrían cambiar radicalmente el comportamiento de un semiconductor. A medida que la tecnología evolucionó para producir materiales más puros, Siguieron mejores semiconductores.

El primer transistor semiconductor se hizo de germanio en 1948, pero el silicio aumentó rápidamente para convertirse en el material semiconductor dominante. La oblea de silicio es mecánicamente fuerte, relativamente fácil de limpiar y tiene propiedades eléctricas razonables.

También es muy abundante: la 28,2 por ciento de la corteza de la tierra es de silicio. Esto hace que sea literalmente bajo costo. Este semiconductores casi perfecto funcionó bien para la creación de diodos y transistores y sigue siendo la base de casi todos los chips de computadora. Hubo un problema: el silicio es muy ineficiente en la conversión de la luz en una señal eléctrica o para transformar la electricidad en luz.

Cuando el uso principal de los semiconductores estaba en procesadores de ordenador conectado por hilos metálicos, Esto no fue un gran problema. mamá, mientras estábamos moviendo hacia el uso de semiconductores en los paneles solares, sensores para cámaras y otras aplicaciones relacionadas con la luz, Esta debilidad del silicio se convirtió en un verdadero obstáculo para el progreso.

La búsqueda de nuevos semiconductores

La búsqueda de nuevos semiconductores comienza en la tabla periódica de los elementos, una parte del cual está en la figura de la derecha.

En la columna etiquetada IV , cada formulario elemento de bonos, compartiendo electrones con cuatro de sus cuatro vecinos. El más fuerte de estos lazos de elementos “grupo IV” Es por carbono (do), formación de diamantes. Los diamantes son buenos aislantes (y transparente) porque el carbono retiene estos electrones estrechamente. Generalmente, un diamante quemadura antes de forzar una corriente eléctrica a través de él. Recientemente la estructuración de los átomos de carbono en rejillas finas que hemos llegado a la solución opuesta con grafeno, igualmente transparente, fuerte y altamente conductora.

Los elementos de la parte inferior de la columna, estanque (Sn) y conducir (Pb), Son mucho más metal. Como la mayoría de los metales, mantienen sus electrones de enlace tan floja que cuando se aplica una pequeña cantidad de la energía de los electrones son libres para romper sus enlaces y fluir a través del material.

Silicio (y) y germanio (dar) Ellos están en el medio y por lo tanto son semiconductores. Debido a una peculiaridad de la forma en que ambos son estructurados, sin embargo, Son ineficientes en el intercambio de electricidad con la luz.

Para encontrar los materiales que funcionan bien con la luz, tenemos que ir de una parte de la columna Grupo IV. elementos de las columnas Combinando “grupo III” mi “grupo V” Usted se obtienen materiales con propiedades semiconductoras. estos materiales “III-V”, tales como arseniuro de galio (GaAs), Se utilizan para darse cuenta de láser, luci un LED, fotodetectores (como se encuentra en las cámaras digitales) y muchos otros dispositivos. Ellos hacen lo que el silicio no es bueno.

Pero debido a que el silicio se utiliza para los paneles solares si es tan difícil de convertir la luz en electricidad? costo. El silicio puede ser refinado por una pala llena de suciedad recogida desde cualquier punto de la superficie de la Tierra; Los elementos constituyentes de los compuestos III-V son mucho más raras.

Un panel solar en silicio estándar convierte la luz solar con una eficiencia de 10 Alabama 15%. Un panel de III-V puede ser tres veces más eficiente, pero a menudo cuesta más de tres veces más. Los materiales III-V también son más frágiles que el silicio, haciendo que sea difícil de trabajar con grandes paneles.

sin embargo, el aumento de la velocidad de los electrones de los materiales III-V permite la construcción de transistores muy rápidos, a velocidades de cientos de veces superiores a los encontrados en los ordenadores. Pueden abrir el camino para la sustitución de los cables dentro de la computadora con haces de luz, mejorar significativamente la velocidad de flujo de datos.

Además de los materiales III-V, Hay también materiales II-VI en uso. Estos materiales incluyen algunos de los sulfuros y óxidos en 800 buscado. Combinaciones de zinc, cadmio y mercurio en el teluro se utilizaron para crear cámaras infrarrojas y las células solares. Estos materiales son muy frágiles y muy difíciles de fabricar.

El futuro de los semiconductores

Como se podrían utilizar nuevos materiales semiconductores?

El semiconductor electrónico III-V de alta potencia (nitruro de galio) Será la columna vertebral de nuestro sistema de red eléctrica, la conversión de la potencia para la transmisión de alta tensión y viceversa. Los nuevos materiales (antimonidi e bismutoidi) Ellos están a la vanguardia de La detección infrarroja ( http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm ) para el uso médico, militar, civiles, así como nuevas posibilidades para las telecomunicaciones.

¿Y el viejo recurso, silicio? Su incapacidad para aprovechar la luz de manera eficiente no significa que está destinado a la cesta de polvo de la historia. Los investigadores están dando nueva vida al silicio, creando “fotónica de silicio” ( http://reap.ece.tufts.edu/ ) para gestionar mejor la luz, en lugar de simplemente el intercambio de electrones.

Un método es la inclusión de pequeñas cantidades de otro elemento del grupo IV, estanque, en silicio o germanio. Esto cambia sus propiedades, lo que les permite absorber y emitir luz de manera más eficiente.

La investigación futura se diga vali hay instrucciones que han tenido más éxito.

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