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El uso del carbono en la industria electrónica

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Un interesante artículo de fondo sobre el uso del carbono en la industria electrónica escrito por Sina Hoefer, editora jefe de electronics-update.com

Los semiconductores son sin duda uno de los desarrollos más significativos en la historia de la humanidad. Sin ellos, toda la informatización no habría sido posible.

Además, el mundo tal y como lo encontramos hoy en día sería imposible.

Con las propiedades físicas del silicio, el semiconductor más utilizado, empujado lo más lejos posible, comienza la búsqueda de nuevo material.

Sin embargo, el carbono puede ser la posibilidad perfecta para su uso en este propósito.

Silicio

Las primeras propiedades de los semiconductores fueron encontradas a mediados del siglo XIX por Thomas Johann Seebeck que observó un valor de resistencia decreciente del sulfuro de plata con la expansión de la temperatura del material. Esto es uno de los atributos clave de cualquier semiconductor.

El uso del carbono en la industria electrónica
Sina Hoefer

Los semiconductores se definen como un material con conductividad eléctrica entre un conductor (por ejemplo, el cobre) y un aislante (por ejemplo, el vidrio). Las propiedades del material pueden ser modificadas por un procedimiento llamado «dopaje». Al contaminar el material de oblea con otras sustancias, las cualidades eléctricas, ópticas y auxiliares del resultado pueden ajustarse a las necesidades específicas.

Sin embargo, las contaminaciones no deseadas representan un gran peligro para la degradación y el aplastamiento de producciones enteras. Los semiconductores de silicio se desarrollan a partir de arena de cuarzo pura. En un procedimiento llamado el método Czochralski, esta arena se funde en un bloque sólido de silicio. El lingote de silicio resultante se corta, se muele y se graba en obleas redondas de extrema nivelación. La posible irregularidad de estas obleas se limita a tamaños menores de 1 nanómetro. El ancho estándar de las obleas es de 300 mm, con un espesor de 775 micrómetros. Estas obleas sirven como material de substrato para componentes electrónicos.

La reducción de escala de los circuitos integrados y las piezas electrónicas han llegado a sus puntos de corte con el silicio. Sin la capacidad de minimizar aún más los circuitos integrados, el silicio no puede seguir entregando los resultados que tiene hasta este punto. Cumplir con esta tarea puede requerir repensar cómo producimos los dispositivos, o incluso si necesitamos un sustituto del propio silicio.

Carbono

El carbono es un elemento básico en la Tierra. Está disponible en todos los tejidos vivos. Y también en una amplia gama de estructuras físicas. Las propiedades que hacen al carbono tan fascinante para el negocio de la electrónica, es su excepcional diseño de electrones. Gracias a cuatro electrones accesibles para formar enlaces compuestos, puede formar partículas complejas.

En condiciones ordinarias, el carbono es un elemento muy poco reactivo.

Grafito

Para su uso en la industria electrónica, el carbono es sólo un término no exclusivo. Más importante que la materia prima son sus alótropos.

El primero es el grafito. Que es un tipo de carbono excepcionalmente puro. La estructura atómica del grafito es una red hexagonal que es clave por sus cualidades. El grafito es un transportador decente de energía y calor, por eso es muy utilizado en la creación de electrodos. Además de sus propiedades eléctricas, el grafito es un lubricante increíble, lo que lo convierte en una clara ventaja en la creación de cojinetes auto engrasantes.

Grafeno

Una conexión auxiliar cercana al grafito mantiene el componente de carbono ajustado, el grafeno. Cada partícula de carbono se conecta en un ángulo de 120°, lo que da lugar a una estructura hexagonal o de panal similar a la del grafito. Sin embargo, el grafito se compone de numerosas capas, lo que le da una estructura tridimensional. Mientras que el grafeno está disponible en 2D.

Este ejemplo «plano» de grafeno es un factor clave para la utilización del carbono en la electrónica. Debido a esta circunstancia, puede ser plegado en una estructura cilíndrica, lo que le confiere cualidades sorprendentes.

De la misma manera, el grafeno es apto para ser dopado con diferentes sustancias. Por ejemplo, el conocimiento del amoníaco conduce a una mayor fiabilidad en los aparatos de memorias RAM.

Los condensadores de grafeno son piezas electrónicas, que están disponibles en la fabricación a gran escala. Los puntos de interés sobre las supercapas ordinarias son las corrientes elevadas, la elevada capacidad, la menor corriente de fuga, la baja resonancia paramagnética de los electrones y los atributos de auto reparación.

El nanotubo de carbono (CNT)

Una hoja de grafeno colapsada en un cilindro se conoce como nanotubo de carbono (CNT).

El uso del carbono en la industria electrónica
Imagen de ResearchGate en https://cutt.ly/CtjCkR1

Un nanotubo se caracteriza por ser una estructura geométrica cilíndrica con un diámetro inferior a 100 nanómetros. Los CNT pueden crearse como un cilindro solitario, o varios cilindros apilados unos dentro de otros, para expandir adicionalmente la calidad y la efectividad.

La eficiencia y la robustez son las habilidades centrales de los CNTs. No hay material más sólido y rígido en lo que se refiere a la resistencia a la tracción. Los nanotubos de carbono pueden adoptar características metálicas o semiconductoras, lo que los hace excepcionalmente flexibles.

Además de eso, los CNTs tienen una conductividad eléctrica asombrosa.

El uso práctico de los nanotubos de carbono

A pesar de estar disponibles desde hace unos años, los CNT todavía no están disponibles a escala comercial. Los costes de fabricación siguen siendo más altos que con los semiconductores de silicio.

Una posible aplicación es el transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNFET). Se basa en la estructura tradicional del transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET), aunque utiliza CNT.

Los CNFET tienen ciertas características que superan a los MOSFET regulares. La mayor portabilidad de los electrones explica una capacitancia de puerta de aproximadamente el doble del valor de un MOSFET. Además, los CNFETs tienen una mayor densidad de corriente y transconductancia. Es menos probable que un CNFET se auto caliente hasta un nivel que destruya el componente.

Por otra parte, los CNFET son costosos de producir, y su vida útil y fiabilidad todavía no están al mismo nivel que los FET basados en el silicio. Para convertir los componentes basados en CNT en un producto ampliamente disponible, es necesario encontrar nuevas técnicas de fabricación o implementación.

En el estado actual, los nanotubos de carbono que pueden ser procesados posteriormente requieren una pureza del 99,999999%. Lo que sólo representa un pequeño porcentaje de las placas fabricadas.

Para mostrar las capacidades que ofrece esta innovación, Analog Devices y el Instituto Tecnológico de Massachusetts han construido un microcontrolador de 16 bit, basado en la estructura RISC-V.

El controlador titulado RV16X-Nano está hecho de 14.000 FETs recíprocos y es capaz de ejecutar el conjunto total de órdenes RISC-V. Lo sorprendente de este microcontrolador, son los métodos de creación utilizados.

Los CNFETs están dispuestos de tal manera que requieren una pureza de CNT más baja del 99,99x%, que los actuales procedimientos de ensamblaje pueden producir en masa. Se espera que las CPUs y los microcontroladores dependientes de los CNT sean aproximadamente diez veces más eficientes en cuanto a energía que los procesadores actuales, y que además funcionen mucho más rápido.

Los logros recientes son un ejemplo de cuánto potencial encierra la utilización del carbono en la industria electrónica. Pero en el estado actual, no es posible precisar “si y cuándo” exactamente, los componentes electrónicos basados en el carbono van a ser las nuevas piezas estándar.

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