TECNOLOGÍAS

El silicio también es la piedra angular de la última de nuestras tres revoluciones tecnológicas. Esta tecnología ya es una de las industrias de más rápido crecimiento en Estados Unidos, crea decenas de miles de empleos y, como la industria informática, tiene su hogar en Silicon Valley.

Otros elementos compiten con el silicio pero es el preferido por la facilidad para encontrarlo. Pero el experto se pregunta si el silicio mantendrá su dominio en el mundo de la alta tecnología. Hay mucha investigación con materiales alternativos, compuestos que contienen galio, carbón, molibdeno, indio y arsénico, entre otros.

Sin embargo, el bajo costo y la disponibilidad del silicio significa que probablemente seguirá siendo la base en la que se depositen todos esos nuevos elementos.

Los principales usos que vamos a ver de este material en la tecnología son la fabricación de microchips y componente fundamental de las placas fotovoltaicas, ¿no es interesante?

Y se sacó un par de FOTOVOLTAICAS

El silicio tiene una propiedad interesante, cuando la luz llega, puede hacer que se desprendan los electrones que mantienen a los átomos juntos.

Y cuando los electrones quedan libres, no saben a dónde deben ir, "así que vagan sin destino". Su trabajo e darle a esos electrones un propósito.

Bueno, te contaré como surgieron. Un día un hombre de apariencia buena económicamente se dirigió a Schaeffer y preguntó por negocios. Sin saberlo Schaeffer se acercó y vio los paneles solares. Esos primeros paneles solares eran muy modestos para los estándares modernos. Con sólo 9 vatios, a duras penas podían encender la linterna más pequeña, y eran costosos.

Seguidamente aparecieron un grupo de "hippies", quienes estaban comprometidos con la idea del estilo de vida verde. En unas pocas semanas Schaeffer vendió mil paneles.

Tras el entusiasmo inicial, el desarrollo de la industria ha sido largo y lento.

PROCESO DE FABRICACIÓN DE LOS PANELES SOLARES

En este caso he utilizado la fuente de información https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9ctrica#T.C3.A9cnica_de_fabricaci.C3.B3n

El primer paso es la producción de silicio metalúrgico, puro al 98%, obtenido de piedras de cuarzo provenientes de un filón mineral (la técnica de producción industrial no parte de la arena). El silicio se purifica mediante procedimientos químicos (Lavado + Decapado) empleando con frecuencia destilaciones de compuestos clorados de silicio, hasta que la concentración de impurezas es inferior al 0.2 partes por millón. Así se obtiene el silicio semiconductor con un grado de pureza superior al requerido para la generación de energía solar fotovoltaica. Este ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares hasta la fecha, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del aprovisionamiento de las industrias.

Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización), concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material de esta concentración se le suele denominar silicio de grado solar.

Con el silicio fundido, se realiza un proceso de crecimiento cristalino que consiste en formar capas mono moleculares alrededor de un germen de cristalización o de un cristalito inicial. Nuevas moléculas se adhieren preferentemente en la cara donde su adhesión libera más energía. Las diferencias energéticas suelen ser pequeñas y pueden ser modificadas por la presencia de dichas impurezas o cambiando las condiciones de cristalización. La semilla o germen de cristalización que provoca este fenómeno es extraída del silicio fundido, que va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un mono cristal y si es menor, un poli cristal. La temperatura a la que se realiza este proceso es superior a los 1500 °C.

El procedimiento más empleado en la actualidad es el Proceso Czochralski, pudiéndose emplear también técnicas de colado. El silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes.

Estos lingotes son luego cortados en láminas delgadas cuadradas (si es necesario) de 200 micrómetros de espesor, que se llaman «obleas». Después del tratamiento para la inyección del enriquecido con dopante (P, As, Sb o B) y obtener así los semiconductores de silicio tipo P o N.

Después del corte de las obleas, las mismas presentan irregularidades superficiales y defectos de corte, además de la posibilidad de que estén sucias de polvo o virutas del proceso de fabricación. Esta situación puede disminuir considerablemente el rendimiento del panel fotovoltaico así que se realizan un conjunto de procesos para mejorar las condiciones superficiales de las obleas tales como un lavado preliminar, la eliminación de defectos por ultrasonidos, el decapado, el pulido o la limpieza con productos químicos. Para las celdas con más calidad (mono cristal) se realiza un tratado de texturizado para hacer que la oblea absorba con más eficiencia la radiación solar incidente.

Posteriormente, las obleas son «metalizadas», un proceso que consiste en la colocación de unas cintas de metal incrustadas en la superficie conectada a contactos eléctricos que son las que absorben la energía eléctrica que generan las uniones P/N a causa de la irradiación solar y la transmiten.

La producción de células fotovoltaicas requiere energía, y se estima que un módulo fotovoltaico debe trabajar alrededor de 2 a 3 años11 según su tecnología para producir la energía que fue necesaria para su producción (módulo de retorno de energía).

Los materiales y procesos de fabricación son objeto de programas de investigación ambiciosos para reducir el costo y el reciclado de las células fotovoltaicas. Las tecnologías de película delgada sobre sustratos sin marcar recibió la aceptación de la industria más moderna. En 2006 y 2007, el crecimiento de la producción mundial de paneles solares se ha visto obstaculizado por la falta de células de silicio y los precios no han caído tanto como se esperaba. La industria busca reducir la cantidad de silicio utilizado. Las células mono cristalinas han pasado de 300 micras de espesor a 200 y se piensa que llegarán rápidamente a las 180 y 150 micras, reduciendo la cantidad de silicio y la energía requerida, así como también el precio.

RENDIMIENTO DE LOS PANELES SOLARES

La eficiencia de los paneles solares varía considerablemente. Solamente en condiciones excepcionales un módulo rinde la energía anunciada por el fabricante. En la vida real, aunque en las mejores condiciones bajo el sol del mediodía, un panel puede producir solamente entre 75 y 85% de su capacidad nominal.

Hay varias razones y una causa es la forma de medir. Los valores de los módulos anunciados por los fabricantes se miden momentáneamente con un flash, usando el estándar STC (Standard Test Conditions).

MICROCHIPS: las entrañas de la tecnología

Cada vez es mayor la presencia de Smartphone, tablets y otra cacharrería en nuestra sociedad. ¿Ya somos conscientes de la tecnología que llevamos en las manos, o sólo queremos que el móvil tenga WhatsApp? Los Smartphone están siendo la última masificación de chips en la sociedad.

Elementos ocultos en las tripas de artículos eléctricos que tenemos a nuestro alrededor.

El material básico para fabricar los chips es sílice. Sin embargo, la experiencia de fabricación de esta tecnología ha demostrado que se necesita una arena de una calidad excelente, como por ejemplo la cuarcita.

Hasta el momento, todos los microchips tienen circuitos grabados en un plano bidimensional; si es posible fabricar un chip tridimensional, se podría multiplicar la conectividad.

PROCESO DE FABRICACIÓN DE LOS MICROCHIPS

Lo primero que hay que hacer con esta materia prima es derretirla para posteriormente extraer cilindros de sílice. Los cuales, tras un proceso de acabado superficial, pasan a cortarse en rebanadas muy finas. Estas láminas se habrán de seguir tratando, eliminando impurezas y puliéndolas. Tras esto, tendremos una oblea de sílice.

Ese disco puede tener hasta 300mm de diámetro. Cuanto más grande, más chips se pueden fabricar a partir de ahí, lo cual abarata su coste. Después del corte, hay que seguir aplicando distintos tratamientos superficiales a la oblea hasta quedar calidad espejo, es decir, perfectamente lisa y sin impurezas.

Esta oblea es la base para la fabricación de los circuitos integrados o chips. Es decir, se trata de un producto complejo realizado a partir de materiales semiconductores, como el sílice, y tratado posteriormente con una serie de procesos químicos y de fotolitografía. Estos procesos son altamente complejos, y dependen en cierta medida del fabricante. En nuestro caso, expondremos los que usa Intel.

El proceso comienza con la deposición de un líquido foto resistente. Esta sustancia tiene la particularidad de reaccionar a determinadas longitudes de onda, y es resistente a ciertas sustancias químicas. Estas características se usarán para eliminar material en el siguiente paso:

Tras dejar que se cure la sustancia foto resistente, se le aplica luz ultravioleta. Sin embargo, gracias a una plantilla o máscara, la luz no afecta a toda la oblea, sino que solo las zonas iluminadas por la luz reaccionarán y derretirán el líquido foto resistente. A esta técnica se le llama fotolitografía. A continuación, estos restos líquidos se eliminarán con un proceso químico.

Posteriormente, se bombardea la oblea con haces de iones cargados negativa o positivamente, los cuales reaccionan con el sílice no cubierto con la sustancia foto resistente. Ahora ese sílice está dopado, es decir, sus características eléctricas han variado debido a los iones, y el sílice ha ganado en aislamiento o en conductividad, según el signo de los haces de iones. Después de esa incrustación de iones, ha de retirarse todo el material foto resistente que quedaba.

Ésta es la base para la formación de transistores dentro del circuito integrado. Concretamente, en la siguiente imagen se muestra un zoom de la oblea, ya con los iones. En una única oblea pueden fabricarse hoy en día millones de transistores en zonas como ésta. Los siguientes pasos están enfocados en la construcción de uno de estos transistores. Nos centraremos en la pequeña zona de la oblea exclusivamente a partir de ahora.

Concretamente, el transistor que se va a construir es un modelo comercial de Intel, denominado Tri-Gate 3DAl final lo que conseguiremos es una estructura así: 

Al final la oblea dispondrá de millones de transistores uno al lado del otro perfectamente ordenados. 

Lógicamente, la oblea hay que cortarla. Un microprocesador o un circuito integrado no tienen exclusivamente un transistor, sino que le acompañan condensadores, conductores, resistencias, otros tipos de transistores y distintos elementos electrónicos que nos podamos imaginar.