El uso del silicio como semiconductor revolucionó la industria electrónica y marcó el comienzo de la era digital. Sin embargo, muchas personas aún desconocen las propiedades y usos de este material tan importante.
Analizamos en profundidad el silicio, qué es, cómo se fabrica, para qué se utiliza y qué puede deparar el futuro a la industria del silicio.
Puede que no lo sepas, pero el silicio (Si) desempeña un papel crucial en nuestra vida cotidiana.
Como uno de los materiales más comunes utilizados en la fabricación de electrónica de potencia, el silicio se puede encontrar en todo, desde teléfonos inteligentes hasta computadoras portátiles, microondas y luces LED.
No es una exageración decir que sin el silicio, el mundo digital moderno tal como lo conocemos no existiría.
A pesar de la ubicuidad del silicio, muchas personas desconocen esta sustancia milagrosa, ¿Qué es exactamente el silicio y por qué es tan importante para la industria electrónica?
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BTRH9MNS” template=list]
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de su uso? ¿Existen alternativas al silicio? ¿Qué tamaño tiene el mercado del silicio y qué futuro puede deparar a la producción y el desarrollo del silicio?
¡En este artículo encontrarás las respuestas a todo esto!
¿Qué es el silicio (Si)?
El silicio es un elemento químico que se designa con el símbolo Si. Situado entre los metales y los no metales en la tabla periódica, el silicio es un metaloide que pertenece a la familia del carbono.
El silicio tiene el número atómico 14 con un peso atómico de 28,086u. El punto de fusión del silicio es de 1.410 °C y su punto de ebullición es de 3.265 °C.
El silicio puro es muy reactivo y no existe de forma natural en estado libre. Sin embargo, el silicio se encuentra más comúnmente en forma de óxido en casi todas las rocas, así como en arcilla, arena y suelo.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0CHBJGFBC” template=list]
El silicio oxidado en forma de dióxido de silicio y silicatos se encuentra en altas concentraciones en la corteza terrestre, constituyendo el 27,7% de la corteza. De hecho, el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza después del oxígeno.
Los compuestos de silicio se encuentran en el agua, en las plantas y en toda la atmósfera, y a menudo se encuentran en los fluidos, tejidos y esqueletos de los animales.
El nombre de silicio se deriva de las palabras latinas “silex” y “silicis” que significan “piedra dura” o “pedernal”. La gente ha estado utilizando sílice y silicatos durante siglos.
Los antiguos egipcios fabricaban vidrio, cuentas y otros artículos desde al menos el año 1500 a. C. Se han encontrado silicatos en el mortero utilizado para fines de construcción por nuestros primeros antepasados.
El uso moderno del silicio comenzó en 1824, cuando el químico sueco Jöns Jacob Berzelius pudo aislar el silicio elemental, lo que hizo en 1824. El silicio impuro ya se había obtenido en 1811. No fue hasta 1854 que se pudo producir silicio elemental cristalino mediante electrólisis.
El silicio se utilizó como agente de aleación a finales del siglo XIX y en el siglo XX . Durante esta época, los investigadores descubrieron que el silicio era un semiconductor muy eficaz y tenía propiedades aislantes.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BBHHT8LY” template=list]
Descubrieron que la corriente eléctrica fluía más fácilmente en una dirección entre electrodos que estaban unidos al silicio. Este descubrimiento puso a los científicos en el camino hacia el desarrollo de rectificadores de semiconductores que pudieran convertir la corriente alterna en corriente continua.
Sin embargo, no fue hasta 1954 cuando Morris Tanenbaum (químico de los Laboratorios Bell) fue capaz de producir el primer transistor de silicio.
Su trabajo se basó en los descubrimientos realizados por los ganadores del premio Nobel William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, quienes inventaron el transistor en 1947.
El uso del silicio como semiconductor por parte de estos científicos marcó el comienzo de la era electrónica.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BG6843GX” template=list]
El primer microprocesador informático, el Intel 4004, fue desarrollado por Intel en 1971 utilizando la innovadora tecnología de compuerta de silicio. Esta invención dio origen al mundo digital hiperconectado de hoy.
¿Cómo se fabrica el silicio?
Las obleas de silicio se utilizan en casi todos los ordenadores y dispositivos electrónicos del mercado actual y se producen mediante un proceso de fabricación muy complejo.
El silicio puro, también conocido como polisilicio, se produce fabricando primero silicio metalúrgico utilizando un horno eléctrico para forzar una reacción entre el cuarzo y el coque.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BBJDS62N” template=list]
El silicio metalúrgico se convierte en triclorosilano (TCS) utilizando reactores de lecho fluidizado. Se utiliza hidrógeno para purificar y luego descomponer el TCS. El resultado es una varilla de polisilicio.
A continuación, la varilla de polisilicio se cristaliza, lo que da lugar a la producción de cristales o lingotes de silicio. Estos lingotes se cortan a continuación en obleas que se pueden utilizar en electrónica de potencia.
Cabe señalar que el proceso de fabricación genera una gran cantidad de materiales de desecho y se utilizan y producen muchas sustancias tóxicas en la fabricación de silicio puro.
¿Cuáles son las propiedades únicas del silicio?
La forma pura del silicio tiene una estructura atómica que lo hace muy eficaz como semiconductor.
Esto significa que tiene las propiedades conductoras del metal y además, es un aislante, por lo que el silicio puede conducir y bloquear la electricidad.
Esta capacidad lo convierte en un mecanismo de conmutación ideal. El silicio puro es muy estable, resiste el agua, el vapor y el ácido y se puede utilizar para formar aleaciones, óxidos y nitruros.
En comparación con el germanio, el silicio es más estable y produce menos fugas de corriente. Esto se debe a que el silicio tiene una banda prohibida de energía de 1,12 eV a 0 K.
[content-egg module=Amazon products=”es-B09GYKK56H” template=list]
Añadir impurezas al silicio puro, un proceso conocido como “dopaje”, puede mejorar aún más sus propiedades semiconductoras.
A pesar del complicado proceso que implica la producción de silicio puro, su abundancia lo convierte en un material atractivo para los productores de electrónica.
Las propiedades semiconductoras altamente eficientes del silicio y su inherente resistencia y estabilidad lo convierten en un material sumamente versátil.
¿Cómo se utiliza el silicio?
El silicio es fundamental para la industria de la electrónica de potencia. Los ingenieros lo utilizan para construir interruptores, circuitos y compuertas.
Las numerosas aplicaciones del silicio purificado incluyen chips de computadora, transistores, circuitos integrados, pantallas de cristal líquido, diodos y mucho más. El silicio también es el componente principal de las células solares y es vital para la industria de la energía renovable.
El silicio en una forma menos purificada se utiliza para alear metales como el acero, el latón, el aluminio y el bronce. El sílice contenido en la arena y la arcilla se utiliza para fabricar ladrillos y hormigón y a menudo, se utiliza como abrasivo industrial, por ejemplo, en la producción de vidrio.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BBHHT8LY” template=list]
Los silicatos se utilizan para producir vidrio y fabricar cerámica y esmaltes. Los polímeros que contienen silicio se encuentran en cosméticos y productos para el cabello. El caucho de silicona se utiliza como sellador en las industrias de la aviación y la automoción.
El silicio se puede encontrar en utensilios de cocina antiadherentes, pinturas y revestimientos, así como en una gran variedad de prendas de vestir y artículos deportivos.
¿Qué tan grande es el mercado mundial del silicio?
Según informes recientes, el mercado mundial del silicio se valoró en 6.050 millones de dólares en 2019.
Se espera que el mercado siga creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 4,6 % durante la próxima década. Se prevé que el mercado mundial del silicio alcance un valor de 11.460 millones de dólares en 2027.
China es con diferencia, el mayor productor mundial de silicio, con más de 6.000 toneladas métricas producidas en 2021.
En comparación, los siguientes dos mayores productores son Rusia, con 580 toneladas métricas y Brasil, con 390 toneladas métricas de silicio producidas durante el mismo período.
¿Cuál es el futuro del silicio?
Aunque el silicio ha sido durante mucho tiempo el material preferido para la industria de la electrónica de potencia, no es la única sustancia adecuada para los semiconductores. Se están desarrollando alternativas que podrían convertir al silicio en el rey de los semiconductores.
[content-egg module=Amazon products=”es-B09GYKK56H” template=list]
Se ha demostrado que el carburo de silicio (SiC) puede soportar temperaturas mucho más altas que el silicio normal. El SiC es una mezcla de silicio y carbono y actualmente se utiliza para fabricar baterías más pequeñas para vehículos eléctricos.
El SiC tiene capacidades de conmutación más rápidas y es mucho más eficiente en términos de pérdida de energía que el silicio normal. Ahora se lo considera una alternativa viable al silicio.
Sin embargo, actualmente el SiC tiene un costo de fabricación mucho más alto en comparación con el silicio.
El nitruro de galio (GaN) también se promociona como un material sustituto del silicio puro. El GaN se crea mediante un proceso de deposición química en fase de vapor (MOCVD) metalorgánico que combina galio y nitrógeno.
Los electrones se mueven sobre semiconductores de GaN increíblemente rápido. Tiene una banda de transmisión de 3,4 eV, mientras que el silicio normal tiene un valor de 1,12 eV.
Los semiconductores de GaN pueden soportar temperaturas y voltajes más altos que los semiconductores de silicio.
El inconveniente de los semiconductores de GaN es, que en la actualidad, el proceso de fabricación sigue siendo infinitamente más caro que el de los semiconductores de silicio normales y aún no es tan versátil.
[content-egg module=Amazon products=”es-B0BG6843GX” template=list]
Por ahora, el silicio sigue siendo el semiconductor número uno. Sin embargo, si se logran mejores técnicas de fabricación, en el futuro materiales como SiC y GaN podrían reemplazar al silicio como el semiconductor preferido para la industria de la electrónica de potencia.
[content-egg module=Amazon template=list]