Language
Country/Area
No result found
El asombroso poder del silicio monocristalino: ¿Por qué es el componente básico de la electrónica moderna?
"La red cristalina del silicio monocristalino es continua y no tiene límites de grano".
Las propiedades del silicio monocristalino lo hacen especialmente importante en aplicaciones de semiconductores. Puede consistir únicamente en silicio de muy alta pureza como semiconductor intrínseco, o puede doparse añadiendo otros elementos como boro o fósforo para crear silicio de tipo p o de tipo n. Esta propiedad semiconductora ha convertido al silicio monocristalino en el material tecnológico más importante de las últimas décadas, marcando el advenimiento de la "Era del Silicio". Su bajo costo y disponibilidad son una base importante para el desarrollo de los productos electrónicos y la revolución de la tecnología de la información actuales.
El silicio monocristalino se diferencia de otras formas alotrópicas, como el silicio amorfo, que se utiliza en células solares de película fina, y el silicio policristalino, que está formado por pequeños cristales. Estas diferencias determinan sus diferentes prestaciones y costes.
Proceso de producción
El silicio monocristalino generalmente se fabrica mediante métodos que implican la fusión de silicio de alta pureza de grado semiconductor y el uso de un cristal semilla para iniciar la formación de un monocristal continuo. Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte, como el argón, y en un crisol inerte como el cuarzo para evitar impurezas que puedan afectar a la homogeneidad del cristal."La tecnología de producción más común es el método Czochralski, que es capaz de producir lingotes de una sola oblea de hasta 2 metros de largo y un peso de varios cientos de kilogramos".
En el método Czochralski, un cristal semilla con forma de varilla, orientado con precisión, se deja caer en silicio fundido y luego se tira hacia arriba y se gira lentamente, lo que permite que el material tirado se solidifique en una tira redondeada monocristalina. También se pueden aplicar campos magnéticos durante este proceso para controlar y suprimir el flujo turbulento, mejorando aún más la uniformidad del cristal. Otros métodos de producción incluyen el método de fusión por zonas y la técnica Bridgman, que también utilizan calentamiento dentro de una cápsula de gradiente de temperatura para promover el crecimiento de los cristales.
Las barras redondas solidificadas se cortan en obleas finas y se procesan posteriormente para prepararlas para la fabricación. En comparación con la fundición de lingotes de múltiples obleas, el proceso de producción de silicio monocristalino es relativamente lento y costoso. Sin embargo, debido a sus propiedades electrónicas superiores, la demanda de silicio monocristalino continúa aumentando.
Aplicaciones en electrónica
La principal aplicación del silicio monocristalino es la producción de componentes discretos y circuitos integrados. Las barras redondas fabricadas según el método Czochralski se cortan en obleas de unos 0,75 mm de espesor, sobre las que se construyen dispositivos microelectrónicos mediante diversos microprocesos como dopaje, implantación de iones, grabado y deposición de películas finas.
"Un único cristal continuo es crucial para la electrónica porque los límites de grano, las impurezas y los defectos del cristal pueden afectar significativamente las propiedades electrónicas locales del material".
Sin la perfección del cristal, sería casi imposible construir dispositivos de circuitos integrados a gran escala (VLSI), que contienen miles de millones de circuitos de transistores que deben funcionar de manera confiable. Por este motivo, la industria electrónica ha invertido mucho en instalaciones para producir grandes monocristales de silicio.
Aplicación en células solares
El silicio monocristalino también se utiliza en dispositivos fotovoltaicos de alto rendimiento. Dado que los requisitos para los defectos estructurales no son tan estrictos como los de las aplicaciones microelectrónicas, a menudo se utiliza silicio de grado solar (Sog-Si) de calidad ligeramente inferior para fabricar células solares. Sin embargo, el desarrollo de la industria fotovoltaica de silicio monocristalino se ha beneficiado del rápido progreso de los métodos de producción de silicio monocristalino en la industria electrónica.
Cuota de mercado y eficienciaComo la segunda tecnología fotovoltaica más común, el silicio monocristalino ocupa el segundo lugar, después de su producto hermano, el silicio policristalino. A pesar de la producción más rápida de silicio policristalino y las continuas reducciones de costos, la participación de mercado del silicio monocristalino ha estado disminuyendo gradualmente desde 2013: en ese año, la participación de mercado de las células solares de silicio monocristalino fue del 36%, lo que se traduce en 12,6 GW de capacidad fotovoltaica, pero En 2016, la cuota de mercado de las células solares de silicio monocristalino había aumentado a 1,35 GW. En 2017, su cuota de mercado había caído por debajo del 25%.
"La eficiencia de laboratorio de las células monocristalinas de silicio ha alcanzado el 26,7%, lo que supone la mayor eficiencia de conversión confirmada entre todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales".
La eficiencia de los módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino alcanzó el 24,4% en 2016. En algunas aplicaciones, especialmente donde hay restricciones de peso o área disponible, la alta eficiencia de las células solares de silicio monocristalino es particularmente importante.
Retos y comparaciones de la fabricación
Además de la productividad ineficiente, también existe el problema del desperdicio de material en el proceso de fabricación. Durante el proceso de corte de obleas redondas, el material del lado izquierdo a menudo no se aprovecha por completo y se descarta o se recicla y se vuelve a fundir. Sin embargo, los avances tecnológicos indican que en el futuro el espesor de las obleas se reducirá a menos de 140 μm. También se están investigando otros métodos de fabricación, como el crecimiento directo de obleas, como nuevas formas de reducir el desperdicio en los procesos de corte tradicionales.
El silicio monocristalino difiere significativamente de otras formas de silicio, como el silicio policristalino y el silicio amorfo. El silicio policristalino está formado por múltiples granos y es más barato de producir, pero tiene una menor eficiencia; el silicio amorfo se utiliza principalmente en células solares de película fina. Aunque es ligero y flexible, es extremadamente ineficiente. La elección de distintos tipos de silicio tiene un impacto continuo en los requisitos técnicos y las consideraciones económicas de las diferentes aplicaciones.
A medida que avanza la tecnología, cómo equilibrar eficazmente los costos y la eficiencia será una cuestión que deberá considerarse en el desarrollo futuro de las industrias fotovoltaica y electrónica.
