Solo el arseniuro de galio puede intimidar al silicio: así es el semiconductor que está cambiando las reglas del juego

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Solo el arseniuro de galio puede intimidar al silicio: así es el semiconductor que está cambiando las reglas del videojuego

En el reino de los semiconductores, el silicio es el rey. Y lleva siéndolo mientras la friolera de casi 6 décadas, desde que en los años 60 destronó al germanio y se afianzó como el semiconductor con mas potencial y el mas utilizado por la fábrica de la electrónica. Sería exagerado proteger que su estatus está siendo amenazado, pero lo cierto es que hay otro semiconductor que, siquiera no es en absoluto nuevo, está pujando cada vez mas alto y consolidándose como el complemento perfecto del silicio.

El arseniuro de galio es un semiconductor peculiar. Incluso, en cierto modo, atrevido. Y es que siquiera no figura parte de la estirpe de los semiconductores elementales, entre los que se encuentra, cómo no, el silicio, tiene unas pertenencias que lo hacen muy atractivo y lo han colocado en el punto de mira de la fábrica de la electrónica. Desde hace lapso los fabricantes de células fotoeléctricas y equipos de telecomunicaciones, entre otros, se ven obligados a compartirlo con las marcas de electrónica de consumo, por lo que pronto los clientes seremos conscientes del impacto que ya tiene, y tendrá, en vuestras vidas.

Un semiconductor con unas pertenencias que para sí las desearía el silicio

El protagonista indiscutible de este artículo, el arseniuro de galio, no es un semiconductor elemental. A este selecto conjunto corresponden el silicio, el germanio, el selenio u el telurio, entre otros elementos, pero no el arseniuro de galio. Los semiconductores elementales se caracterizan por Estad constituidos por un único componente químico, pero el arseniuro de galio (GaAs), como podemos intuir siquiera no sepamos demasiada química, está compuesto de galio (Ga) y arsénico (As).

A lo largo de todo el artículo va a aparecer innumerables veces el término semiconductor, por lo que es alguna buena idea que repasemos de qué se trata anteriormente de seguir adelante. Un semiconductor es un componente u un compuesto que bajo ciertas condiciones de presión, temperatura, u al ser expuesto a radiación u a un terreno electromagnético, se comporta como un conductor, y, por tanto, propone escasa resistencia al movimiento de las cargas eléctricas. Y cuando se descubre en otras condiciones distintos se comporta como un aislante. En este último estado propone alguna gran resistencia al movimiento de las cargas eléctricas.

En los objetos con capacidad de conducción eléctrica algunos de los electrones de sus átomos, conocidos como electrones libres, pueden pasar de un átomo a otro cuando aplicamos alguna diferencia de potencial en los extremos del conductor. Precisamente, esta capacidad de movimiento de los electrones es lo que conocemos como corriente eléctrica, y todos comprendemos de figura intuitiva que los metales son buenos conductores de la electricidad. Curiosamente, lo son porque tienen muchos electrones libres que pueden desplazarse de un átomo a otro y, así, obtienen transportar la carga eléctrica.

Bajo determinadas condiciones ambientales los semiconductores se comportan bien como un conductor, bien como un aislante, de ahí su importancia en electrónica y electricidad

Como hemos visto, el arseniuro de galio es un semiconductor, y esto implica que en determinadas circunstancias es apto de transportar carga eléctrica. Cuando se dan las condiciones apropiadas la movilidad de sus electrones es demasiado mayor que en semiconductores como el silicio u el germanio. Y esto significa que su capacidad de transportar carga eléctrica además es superior.

Arseniurogaliomolecula Este es el apariencia que tiene alguna molécula de arseniuro de galio.

Otra propiedad muy atrayente de este compuesto que, al igual que la alta movilidad de los electrones, hace probables las aplicaciones que veremos en la siguiente sección del artículo es su elevada velocidad de saturación. No es necesario que profundicemos en este parámetro incluso el punto de complicar excesivamente el artículo, pero es atrayente que sepamos que refleja la agilidad máxima a la que pueden desplazarse los electrones a través de la estructura cristalina de este compuesto. Esta agilidad máxima está limitada por la dispersión que sufren los electrones mientras su desplazamiento.

Los transistores de arseniuro de galio pueden trabajar a frecuencias superiores a los 250 GHz

La conclusión mas atrayente y sencillo de comprender de todo lo que hemos visto incluso ahorita consta en aceptar que, cuando se dan las condiciones apropiadas, los electrones se mueven mas y a mas velocidad en el arseniuro de galio que en el silicio. Y esta propiedad tiene repercusiones muy importantes. Una de ellas consta en que los transistores de arseniuro de galio pueden trabajar a frecuencias superiores a los 250 GHz, que es alguna suma suficiente impresionante. Además, son parcialmente inmunes al sobrecalentamiento y producen menos ruido en los circuitos electrónicos que los aparatos de silicio, sobre todo cuando es necesario trabajar a elevadas frecuencias.

Estas características tan inusuales, y con un potencial tan grande, han provocativo que el arseniuro de galio se emplea desde hace décadas para aplicaciones militares y en el ámbito de las telecomunicaciones, además de en otras industrias, como veremos en la siguiente sección del artículo. Se usa, por ejemplo, en los enlaces de microondas, en las comunicaciones vía satélite, en los radares y en la fabricación de diodos Gunn, que son alguna clase de diodos empleada habitualmente en electrónica de alta frecuencia.

Puede parecer que estas aplicaciones nos quedan muy lejos a los clientes de a pie, pero, en realidad, no es así. Y es que poco a poco la electrónica que recurre al arseniuro de galio se ha ido abriendo camino en aparatos con los que estamos muy familiarizados, como los teléfonos celulares u los transformadores de corriente. Lo veremos con mas detalle un poco mas adelante.

Arseniurooblea Esta foto presenta alguna oblea de arseniuro de galio con un diámetro de dos pulgadas. Como puedes ver es demasiado mas oscura que las obleas de silicio.

Hasta ahorita solo hemos indagado en las pertenencias mas atractivas de este semiconductor, que son, precisamente, en las que aventaja al silicio. Pero este último componente además tiene sus bazas, y son importantes, por lo que lo mas razonable es apreciar al arseniuro de galio como un complemento del silicio, u alguna opción a este en determinadas aplicaciones en las que es necesario trabajar a elevadas frecuencias.

Si nos ceñimos a la fabricación de circuitos integrados el silicio aventaja al arseniuro de galio en diversos aislados clave. El mas contundente consta en que el primero es mas abundante y mas barato de procesar que el segundo porque la estructura de sus cristales es muy estable. Además, su conductividad térmica es alta, lo que concede introducir en los circuitos integrados alguna medida enorme de transistores y evacuar correctamente la energía que es necesario disipar en figura de calor.

Pero esto no es todo. Un derivado muy valioso del silicio es el óxido de silicio, un compuesto de silicio y oxígeno conocido habitualmente como sílice y presente en todas las variedades de cuarzo. Este óxido es un aislante estupendo y tiene unas pertenencias eléctricas muy ventajosas. La última baza del silicio que merita la pena que conozcamos, siquiera no es necesario que profundicemos en ella porque es parcialmente compleja, es la alta movilidad de sus huecos de electrón, que reflejan la ausencia de un electrón cuando este abandona su átomo original. Estos huecos además contribuyen al paso de la corriente eléctrica en los semiconductores.

Un sinfín de aplicaciones: de las células fotoeléctricas de alta eficiencia a nuestros móviles

La propiedad del arseniuro de galio que lo hace especialmente indicado para intervenir en la fabricación de las células fotovoltaicas de los paneles solares es su elevada eficiencia, que es alguna consecuencia de la alta movilidad de los electrones y de la elevada agilidad que son capaces de lograr adentro del material. De hecho, el arseniuro de galio es casi el doble de eficiente que el silicio, y esta característica en este contexto marca la diferencia.

En ese caso, ¿por qué se sigue usando silicio en las células fotoeléctricas? Sencillamente, porque las de arseniuro de galio son demasiado mas caras, siquiera algunos grupos de investigación están haciendo avances fundamentales que podrían abaratarlas demasiado a medio plazo. Las pertenencias de este semiconductor además lo hacen apto para construir detectores de radiación infrarroja, detectores de rayos X y diodos láser como los que podemos localizar alojados en la mecánica de transporte de nuestros reproductores de CD u lectores de Blu-ray Disc.

Midstar 1 El dispositivo de esta foto es el satélite estadounidense MidSTAR-1 utilizado, entre otras cosas, para detectar neutrones. Los paneles laterales contienen células fotovoltaicas de arseniuro de galio.

También se usa para construir sensores capaces de medir la temperatura de las líneas de fibra óptica y concede aplicaciones muy atrayentes en el ámbito de la espintrónica, alguna rama de la electrónica que no solo aprovecha la carga del electrón, sino además su espín, que, al igual que la carga, es alguna propiedad intrínseca de las partículas elementales (los electrones lo son) que deriva de su instante angular con valor fijo.

Y, por supuesto, podemos localizar objetos de arseniuro de galio en muchos de los aparatos electrónicos que utilizamos todos los días, como nuestros smartphones. Los microprocesadores y los otros chips de nuestros ordenadores y teléfonos celulares son esencialmente de silicio, pero algunos de los componentes de estos aparatos que intervienen en las comunicaciones recurren al arseniuro de galio por su capacidad de trabajar a frecuencias mas altas e inferior consumo energético.

El arseniuro de galio ya está en algunos de nuestros dispositivos, y asistirá a más

Las aplicaciones que hemos repasado en el apartado anterior son solo algunas de las que se benefician de las pertenencias de este peculiar semiconductor. Hay otros ámbitos en los que además se utiliza, y posiblemente llegarán muchos mas en el futuro. Esta afirmación es razonable porque actualmente hay grupos de investigación laburando para encontrar nuevas aplicaciones en las que el arseniuro de galio pueda marcar la diferencia.

Uno de los campos en los que se están realizando avances prometedores se afianza sobre un efecto que se genera al someter a un cristal de arseniuro de galio a un terreno eléctrico de demasiada intensidad mientras un lapso de lapso muy corto (menos de un picosegundo). Al trasladar a cabo este proceso los electrones oscilan con alguna frecuencia muy alta, por lo que los investigadores confían en que esta técnica poseera un impacto muy considerable en la miniaturización de los aparatos electrónicos.

Diodogunn El dispositivo de esta imagen es un diodo Gunn de procedencia rusa fabricado con arseniuro de galio.

Todo esto puede parecer todavía algo lejano de nosotros, los usuarios, pero, como os adelanté unos párrafos mas arriba, en realidad está al alcance de vuestra mano. Hace pocas semanas tuve la oportunidad de echar un vistazo al prototipo de un transformador de corriente de la marca Anker con el tamaño de alguna cajetilla de tabaco que recurre al arseniuro de galio para ser apto de cargar simultáneamente las baterías de diversos dispositivos, como un ordenador portátil, un movil y un tablet, en el idéntico lapso en el que reponemos vuestro teléfono teléfono usando la carga ultrarrápida.

Esta marca ya está vendiendo aparatos que utilizan nitruro de galio por su alta eficiencia, pero este es solo el principio. No me cabe duda de que no tardaremos en localizar en el mercado muchos mas productos, de este fabricante y de otras marcas, que pondrán a vuestro alcance unas posibilidades muy atractivas gracias a la utilización de los compuestos de galio. Eso sí, posiblemente serán mas caros que los aparatos que recurren al silicio. En cualquiera caso, como siempre, seremos los clientes los que podremos decidir si realmente esa mejora de las posibilidades compensa el probable aumento del precio.

Imágenes | Benjah-bmm27 | La2O3 | United States Naval Academy | ScAvenger

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