Silicio. Materiales y materias primas.
El Silicio: Un Elemento Clave en la Revolución Tecnológica
Resumen de la Sección: En esta sección se introduce el silicio como un elemento clave en la revolución tecnológica y se explica su importancia en la microelectrónica.
Descubrimiento e Historia del Silicio
- El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno y compone alrededor del 20% de ella.
- A diferencia del carbono, no se encuentra en estado puro sino que generalmente está combinado con oxígeno formando óxidos de silicio y silicatos.
- El uso del silicio se remonta a los hombres de la era paleolítica, quienes lo utilizaban para crear herramientas debido a su dureza y facilidad para ser trabajado.
- La arcilla y el vidrio también son compuestos de silicio y fueron utilizados desde épocas remotas.
Propiedades Fundamentales del Silicio
- El silicio cristalino es utilizado en microelectrónica y celdas solares debido a sus propiedades. Es difícil de ilusionar, tan duro que puede cortar vidrio, posee átomos ordenados en forma muy particular, cada uno intenta unirse con cuatro átomos vecinos.
- Los átomos están unidos por dos electrones que comparten uno de cada átomo. Como cada átomo tiene cuatro electrones que no están fuertemente unidos al núcleo, todo funciona perfectamente si cada átomo está rodeado de otros cuatro átomos iguales. El silicio es un pobre conductor.
Impacto del Silicio en la Revolución Tecnológica
- El silicio tuvo un gran impacto en la humanidad en los últimos tiempos, permitiendo la revolución de la microelectrónica y la informática.
- Las propiedades del silicio permitieron su uso en electrónica y celdas solares, lo que ha llevado a algunos autores a afirmar que ya estamos en una nueva era: la del silicio.
El Silicio: Propiedades y Aplicaciones
Resumen de la sección: Esta sección describe las propiedades del silicio, su capacidad para conducir electricidad y su clasificación según el orden en la disposición de los átomos. También se mencionan las aplicaciones del silicio en la electrónica, así como en otras industrias como la cerámica, el vidrio y la agricultura.
Propiedades del Silicio
- El silicio es un material semiconductor que puede actuar como conductor o aislante dependiendo de si está excitado o no.
- La disposición de los átomos en el silicio cristalino determina su clasificación como microcristalino, policristalino o monocristalino.
- El silicio amorfo es más activo químicamente que el cristalino y tiene diferentes características eléctricas.
Aplicaciones del Silicio
- Además de la electrónica, el silicio se utiliza en aleaciones, fundiciones, cerámica y fabricación de vidrio.
- El carburo de silicio es un abrasivo industrial importante utilizado en láseres.
- El dióxido de silicio es un constituyente importante del hormigón y los ladrillos.
- La arena es el material base para producir silicio.
Producción del Silicio
- La producción comienza con la reducción del dióxido de silicio con carbono a una temperatura superior a 3.000 grados centígrados para obtener silicio grado metalúrgico.
- Solo una pequeña fracción de la producción global de silicio se purifica para producir el silicio grado semiconductor utilizado en la electrónica.
Métodos químicos y procesos de purificación del silicio
Resumen de la sección: En esta sección se describe el proceso de producción del silicio de alta pureza utilizado en dispositivos electrónicos y celdas solares. Se mencionan los métodos químicos utilizados para purificar el silicio, como el proceso Siemens, que requiere mucha energía y eleva considerablemente el costo del material.
Proceso Siemens
- El proceso Siemens es uno de los métodos más utilizados para producir silicio de alta pureza.
- Durante este proceso, se produce la reducción del tetracloruro de silicio con hidrógeno, lo que libera cloro y produce níquel y fósforo.
- El resultado es un lingote cilíndrico que puede llegar a los 15 centímetros de diámetro y puede alcanzar de 1 a 2 metros de longitud.
Crecimiento chocar al escribir
- La técnica más utilizada para obtener menos cristales es la conocida como crecimiento chocar al escribir.
- Durante este proceso, se funde el silicio en un horno bajo atmósfera inerte y se introduce una semilla, que es un monocristal con la orientación cristalina deseada.
- Los átomos de silicio se pegan a la semilla y copian su estructura cristalina. El resultado es un lingote cilíndrico que puede llegar a los 15 centímetros de diámetro y puede alcanzar de 1 a 2 metros de longitud.
Dopado
- En la fundición del silicio se pueden introducir impurezas controladas como trazas de fósforo o boro. Este proceso se denomina dopado.
- Dependiendo de cuáles sean esas impurezas, se obtiene un tipo específico de silicio.
- El lingote se corta en obleas de unos 300 micrones de espesor, lo que permite una producción razonable de obleas sin que se rompan al cortarlas.
La invención del transistor y su impacto en la electrónica
Resumen de la sección: En esta sección se describe cómo la invención del transistor reemplazó a las válvulas y abrió el camino para la revolución electrónica. Se menciona cómo los transistores están basados en las propiedades eléctricas del silicio y el germanio, y cómo los circuitos integrados potenciaron el desarrollo de las computadoras, electrodomésticos y teléfonos celulares.
Invención del transistor
- Los transistores fueron inventados por tres físicos estadounidenses en 1947.
- Reemplazaron a las válvulas, que consumían mucha energía y ocupaban mucho volumen.
- Los transistores están basados en las propiedades eléctricas del silicio y el germanio.
Circuitos integrados
- En 1958 se inventaron los circuitos para acoplar los transistores directamente sobre una oblea de silicio.
- Los circuitos integrados potenciaron el desarrollo de las computadoras, electrodomésticos y teléfonos celulares.
Circuitos Integrados
Resumen de la sección: Esta sección habla sobre los circuitos integrados y su evolución a lo largo del tiempo.
Evolución de los circuitos integrados
- Los circuitos integrados son la integración a gran escala de sistemas basados en transistores en circuitos integrados o chips.
- La evolución tecnológica permitió agregar más funciones en un mismo circuito, clasificándose según el nivel de integración.
- El microprocesador es el que procesa toda la información en una computadora y mantiene un registro de las teclas que se presionan y de los movimientos del mouse por los programas y el sistema operativo.
- Desde 1970 cada año y medio aproximadamente las dimensiones de los transistores se fueron reduciendo a la mitad, esto es conocido como la ley de Moore.
Energía Solar
Resumen de la sección: Esta sección habla sobre cómo ha sido posible convertir la energía solar en electricidad.
Historia de las celdas solares
- Desde épocas remotas distintas culturas adoraron al sol y reconocieron su importancia en el ciclo de la vida.
- En 1953 un físico descubrió que cuando el silicio especialmente tratado era puesto bajo la luz del sol producía mucha más electricidad que el selenio.
- La eficiencia de las celdas solares para uso espacial se incrementó desde el 10% en los años 70 hasta alrededor del 15% hacia finales de los 80 actualmente.
- Las celdas solares han sido una efectiva fuente de energía para los primeros vehículos espaciales.
Desarrollo de células solares para uso espacial
Resumen de la sección: En esta sección, se habla sobre el desarrollo de células solares para su uso en el espacio. Se menciona que la Comisión Nacional de Energía Atómica fabricó células solares de silicio monocristalino para un satélite experimental llamado SAC. También se discute cómo las celdas solares pueden ser dañadas por el bombardeo de protones y electrones en el espacio.
Fabricación de células solares
- La Comisión Nacional de Energía Atómica fabricó células solares de silicio monocristalino para un satélite experimental llamado SAC.
- El grupo energía solar de la comisión tiene experiencia en energía solar y conversión fotovoltaica.
Daño a las celdas solares en el espacio
- Las celdas solares pueden ser dañadas por el bombardeo de protones y electrones en el espacio, lo que puede afectar su eficiencia y vida útil.
- Se hace un diseño que asegura que después del día más cercano al último año donde el satélite todavía necesita funcionar con todos los equipos al 100%, va a tener la energía necesaria para este funcionamiento.
Uso futuro
- Después del éxito del experimento con SAC, la Comisión Nacional de Energía Atómica trabaja junto a un grupo interdepartamental del Centro Atómico Constituyentes en el desarrollo de paneles solares para misiones satelitales previstas en el Plan Espacial Nacional.
Celdas solares para uso espacial y terrestre
Resumen de la sección: En esta sección, se discute la diferencia entre los módulos fotovoltaicos para uso terrestre y para uso espacial. También se mencionan los materiales más utilizados en las celdas fotovoltaicas.
Diferencia entre módulos fotovoltaicos
- La principal diferencia entre los módulos fotovoltaicos para uso terrestre y para uso espacial radica en la protección que se les da a cada uno para preservarlos del medio ambiente.
- En el espacio existen factores como el bombardeo de partículas atrapadas por el campo magnético terrestre, mayor radiación ultravioleta, micrometeoritos y mayores ciclos térmicos que deterioran la vida útil de los paneles de los satélites.
- En la tierra, el módulo se ve expuesto a factores climáticos, sobre todo la humedad, que deterioran las celdas y los contactos si no se los protege.
Materiales utilizados en celdas fotovoltaicas
- Los materiales más utilizados en las celdas fotovoltaicas son el arseniuro de galio y el silicio.
Historia de las células solares
Resumen de la sección: En esta sección, se habla sobre la historia de las células solares desde su creación hasta su aplicación actual.
Creación de la primera celda solar
- En 1876 se creó la primera celda solar de selenio.
- Curiosamente, la primera y por entonces única aplicación de las celdas solares de silicio luego de muchos años de evolución fue el uso espacial.
Usos actuales
- Los usos principales de las células solares son abastecer parcial o totalmente la energía fotovoltaica en casas, teléfonos de emergencia en las rutas, juguetes, calculadoras, relojes luminarias autónomas y pequeñas aplicaciones.
Tipos de paneles solares
Resumen de la sección: En esta sección, el presentador habla sobre los diferentes tipos de paneles solares y sus características.
Paneles policristalinos y monocristalinos
- Los paneles policristalinos son más económicos que los monocristalinos.
- Los paneles policristalinos tienen manchas con distintas tonalidades, mientras que los monocristalinos tienen un color parejo.
El silicio en la tecnología
Resumen de la sección: En esta sección, el presentador habla sobre el papel del silicio en la tecnología y su impacto en nuestra sociedad.
La evolución del silicio
- El silicio es protagonista de una proeza de ingeniería humana: la revolución de la microelectrónica.
- La microelectrónica del silicio continuará evolucionando y tendrá cada vez más protagonismo en nuestras vidas.