¿Cuáles son los campos de aplicación de los semiconductores?

La vida digital se ha convertido en una característica de la era de la información, que ha cambiado todos los aspectos de la vida humana. Detrás de esto se esconden grandes logros en nuevos materiales, que son los "héroes detrás de escena" de la vida digital.

Las computadoras son dispositivos importantes en la vida digital. Los componentes centrales de una computadora son la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria (RAM), que se basan en circuitos integrados a gran escala, que están hechos de materiales semiconductores. Las obleas de silicio son la primera generación de materiales semiconductores. Las obleas de silicio utilizadas en circuitos integrados deben tener un gran diámetro, una alta integridad cristalina, una alta precisión geométrica y una alta limpieza. Para fabricar circuitos integrados con alta eficiencia, bajo consumo de energía y alta velocidad, se han desarrollado materiales semiconductores monocristalinos de segunda generación, como GaAs e InP. La tercera generación de materiales semiconductores de banda prohibida amplia como SiC, GaN, ZnSe y diamante, nuevos materiales basados ​​en silicio como SiGe/Si, SOI (silicio sobre aislante) y materiales de pozos cuánticos de superred se pueden utilizar para fabricar materiales semiconductores de alta temperatura. (300 ~ 500 °C), frecuencia de alta temperatura, alta potencia, resistencia a la radiación, luz azul-verde y dispositivos y detectores emisores de luz ultravioleta, mejorando así en gran medida el rendimiento de los circuitos integrados de silicio originales, y es el material semiconductor del futuro.

La comunicación entre humanos y computadoras a menudo requiere la visualización de diversas formas de información, como texto, datos, gráficos, imágenes e imágenes en movimiento. Los medios de visualización de información estática más utilizados, tales como impresoras, fotocopiadoras, máquinas de fax y escáneres, se denominan generalmente dispositivos de entrada y salida de información. Para mejorar la resolución y la velocidad de entrada y salida, es necesario desarrollar materiales fotosensibles estables y altamente sensibles, como materiales de tambor fotosensibles en impresoras y fotocopiadoras láser. Actualmente se utilizan aleaciones de selenio inorgánico y colorantes de ftalocianina orgánica. El componente principal utilizado para mostrar información de imágenes en movimiento es el tubo de rayos catódicos (CRT), que se usa ampliamente en monitores de terminales de computadora y televisores de pantalla plana. En la actualidad, los materiales electroluminiscentes utilizados en CRT utilizan principalmente materiales inorgánicos como sulfuros (ZnS, CdS, etc.). ) y óxidos (Y2O3, YAlO3) dopados con tierras raras (Tb3+, Sn3+, Eu3+, etc.). ) y elementos de transición (Mn2+).

Para reducir el enorme tamaño de los CRT, la tendencia en la visualización de información es alta resolución, gran capacidad de visualización, plana, delgada y grande. Para ello, se utilizan principalmente tecnologías de visualización de panel plano, como la tecnología de visualización de cristal líquido (LCD), la tecnología de visualización de emisión de campo (FED), la tecnología de visualización de plasma (PDP) y la tecnología de visualización de diodos emisores de luz (LED). CRT se usa ampliamente en televisores de alta definición (HDTV), videoteléfonos, monitores de computadoras (de escritorio o móviles), automóviles y pantallas de terminales digitales personales. Ya no es un producto destacado, pero forma una situación floreciente con varias pantallas planas.

Los materiales de cristal líquido utilizados en la tecnología de pantallas de cristal líquido ya se utilizan en relojes, calculadoras, portátiles y cámaras de vídeo. Anteriormente se utilizaron materiales nemáticos y quirales como el fenilciclohexano, el ciclohexilciclohexano y la piridina como materiales de cristal líquido, y luego se desarrollaron cristales líquidos ferroeléctricos (FE) con tiempos de respuesta en el rango de microsegundos. Sin embargo, la estabilidad de los cristales líquidos ferroeléctricos es pobre y sólo puede mejorarse mediante el método de la cadena lateral. Actualmente se tienden a desarrollar cristales líquidos antiferroeléctricos debido a su alta estabilidad.

Los materiales de visualización de cristal líquido tienen algunas dificultades en la visualización de pantalla grande. Actualmente, los paneles de visualización de plasma (PDP) y los diodos emisores de luz (LED) son los principales candidatos para las pantallas de gran tamaño. El fósforo utilizado en el PDP es óxido de aluminio y bario dopado con tierras raras. Los materiales de carbono similares al diamante sirven como cátodos fríos y los óxidos dopados con iones de tierras raras sirven como materiales luminiscentes, lo que promueve el desarrollo de visualizaciones de emisiones de campo. Los materiales semiconductores para fabricar diodos emisores de luz de alto brillo incluyen principalmente materiales epitaxiales rojos, naranjas y amarillos basados ​​en GaAs y GaP, y materiales epitaxiales emisores de azul basados ​​en GaN y ZnSe.

Debido al rápido desarrollo de Internet y la tecnología multimedia, los humanos tienen que procesar, transmitir y almacenar una capacidad de información ultraalta (Tb, 1012 bits) de terabytes, y el flujo de información a ultra alta velocidad alcanza los terabytes. por segundo (Tb/s). Se puede decir que la humanidad ha entrado en la era de los terabytes de información. La información moderna se almacena de muchas maneras diferentes. Tomando como ejemplo el almacenamiento del sistema informático, los métodos de almacenamiento se dividen en almacenamiento interno aleatorio, almacenamiento fuera de línea, almacenamiento externo fuera de línea y almacenamiento fuera de línea. La memoria de acceso aleatorio (RAM) requiere una alta integración y un acceso rápido a los datos. Por lo tanto, la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) de semiconductores basada en tecnología microelectrónica integrada a gran escala tiene más de 200 millones de transistores. El almacenamiento externo utiliza principalmente grabación magnética. Las principales formas de medios de almacenamiento magnético son cintas, burbujas magnéticas, disquetes y discos duros.

La mejora de la densidad de almacenamiento magnético depende principalmente de la mejora de los materiales de los medios magnéticos, como los óxidos magnéticos (como g-Fe2O3, CrO2, polvo magnético metálico, etc.), series de ferrita, polvo de óxido magnético ultrafino, cobalto no electrolítico. revestimiento de aleación de níquel o deposición por pulverización al vacío de medios de película delgada magnética continua de aleación a base de cobalto, etc. , la capacidad de almacenamiento de información del almacenamiento magnético ha mejorado enormemente. El estado sólido (memoria flash) es una memoria no volátil borrable, un circuito integrado basado en diodos semiconductores, es pequeño y resistente y se puede insertar entre la memoria interna y la memoria externa. Generalmente se utilizan materiales magnéticos blandos con inducción magnética de alta saturación. Materiales utilizados como material central del cabezal de grabación, como 80Ni-20Fe, Co-Zr-Nb, Fe-Ta-C, 45Ni-55Fe, Fe-Ni-N, Fe-Si-Ni, 67Co-10Ni-23Fe , etc. El material de magnetorresistencia gigante (GMR) desarrollado en 2007 tiene una fuerte caída de resistencia bajo un determinado campo magnético, que es aproximadamente 10 veces mayor que el de los metales y aleaciones magnéticos ordinarios. GMR generalmente consta de una capa libre/capa conductora/. Composición de capa fijada/capa antiferromagnética, en la que la capa libre puede estar hecha de materiales magnéticos fuertes como Ni-Fe, Ni-Fe/Co, Co-Fe, etc., con películas magnéticas permanentes como Co-Cr-Pt. dispuesta en ambos extremos, y la capa conductora es una película de cobre de varios nanómetros, fijada. La capa es una aleación de Co magnética suave de varios nanómetros, y la capa fijada por magnetización es de 5 a 40 nanómetros de Ni-O y Co-Fe. El cabezal de lectura con efecto GMR aumenta repentinamente la densidad de grabación del disco casi 20 veces, por lo que la magnetorresistencia gigante es El estudio del efecto de almacenamiento magnético es de gran importancia para el desarrollo del almacenamiento magnético. El auge de los CD y reproductores de CD en el campo audiovisual se ha beneficiado del tremendo desarrollo de la tecnología de almacenamiento óptico mediante la modulación de rayos láser en forma de puntos de luz. En comparación con la tecnología de almacenamiento magnético, la tecnología de almacenamiento en disco óptico tiene una gran capacidad de almacenamiento. y larga vida útil de almacenamiento sin contacto, escritura y borrado, el cabezal óptico no desgasta ni raya la superficie del disco, por lo que el sistema de disco óptico es confiable y se puede reemplazar libremente. La relación portadora-ruido (CNR) no disminuye después de leer y escribir a medida que la tecnología de almacenamiento en disco óptico evoluciona desde CD (Disco compacto (CD) DVD (Disco versátil digital (DVD)) hasta el futuro DVD de alta densidad (HD-DVD) y DVD de ultra alta densidad. (SHD-DVD), el material del medio de almacenamiento es la clave. El material del disco de escritura única es ablación (película de aleación de Tc, película amorfa de Se-Tc, etc.) y tipo de cambio de fase (películas delgadas amorfas de Te-Ge-Sb). Las películas delgadas de la serie AgInTeSb, las películas delgadas de ZnO dopadas, los tintes azoicos push-pull, los tintes de ftalocianina) son los principales materiales de los discos ópticos regrabables (GdCo, películas delgadas amorfas de TeFe, películas delgadas de BiMnSiAl, serie de granates dopados con tierras raras YIG, multicapa Co-Pt). película). La densidad de almacenamiento del disco óptico depende de la longitud de onda del tubo láser. Cuando se utiliza el tubo láser rojo InGaAlP (longitud de onda 650 nm) para discos DVD, la capacidad de almacenamiento de cada disco con un diámetro de 12 cm es de 4,7 gigabytes. (GB), mientras que ZnSe (longitud de onda de 515 nm) puede alcanzar los 12 GB. En el futuro, se deberán utilizar tubos láser de GaN (longitud de onda de 410 nm GB) para leer y escribir información en CD y diodos láser fabricados con semiconductores compuestos como GaAs. y GaN

Además de su uso en el almacenamiento en disco óptico, los láseres también son bien conocidos por su papel en las comunicaciones ópticas. Con la aparición de láseres semiconductores de umbral bajo, bajo consumo de energía, larga vida útil y respuesta rápida, la comunicación por fibra óptica se ha convertido en una realidad. La comunicación óptica significa que las señales eléctricas se convierten en señales ópticas a través de láseres semiconductores, luego se transmiten a largas distancias a través de fibras ópticas y finalmente se convierten de señales ópticas en señales eléctricas para que las personas las reciban. La señal óptica transmitida por fibra óptica es emitida por un láser. Los láseres semiconductores se utilizan habitualmente. Los materiales utilizados incluyen GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InGaAlP, GaSb, etc. Los fotodetectores utilizados en el extremo receptor también están fabricados de materiales semiconductores. Sin fibra óptica, la comunicación óptica sólo puede ser "hablar sobre papel". La fibra óptica de bajas pérdidas es un material clave para las comunicaciones por fibra óptica. En la actualidad, los materiales de detección de fibra óptica incluyen principalmente vidrio estacional de bajas pérdidas, vidrio fluorado, vidrio sulfurado a base de Ga2S3, fibra óptica plástica, etc. 1 kg de fibra óptica basada en el tiempo puede sustituir varias toneladas de cables de cobre y aluminio. La aparición de la comunicación por fibra óptica es una revolución en la transmisión de información. Tiene las ventajas de una gran capacidad de información, peso ligero, ocupación de espacio reducido, interferencias antielectromagnéticas, menos diafonía y una gran confidencialidad. El rápido desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica ha desempeñado un papel vital en la construcción y apertura de modernas autopistas de la información.

Además de la comunicación por cable, la información también se transmite de forma inalámbrica. El avance más notable en las comunicaciones inalámbricas es el teléfono móvil. Cuantos más usuarios de teléfonos móviles haya, mayor será la frecuencia de uso. Ahora están haciendo la transición a ciclos de gigabits. La transmisión y recepción por microondas en los teléfonos también se realiza mediante transistores semiconductores, algunos de los cuales están siendo sustituidos por transistores de GaAs.

Los materiales piezoeléctricos en los dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW) de alta frecuencia y de ondas acústicas de superficie masiva (BAW) ampliamente utilizados en teléfonos móviles son cristales piezoeléctricos como a-SiO2, LiTaO3, Li2B4O7, KNbO3, La3Ga5SiO14 y ZnO/Al2O3 y SiO2/. ZnO/ Materiales de película de alta acústica como DLC/Si, los materiales cerámicos dieléctricos de microondas utilizados se concentran en la serie BaO-TiO2, BaO-ln2o 3-TiO 2 (LN = La, PR, nd, SM, EU, GD)b = magnesio, zinc, cobalto, níquel, manganeso; B = Nb, Ta) y sistemas compuestos de perovskita a base de plomo.

Con la creciente demanda de termistores de alta precisión en instrumentos inteligentes y la rápida popularidad de los equipos portátiles de información y comunicación, como teléfonos portátiles, PDA y computadoras portátiles, la demanda de sensores de temperatura y termistores también está aumentando. aumentando. Hazte más grande. El termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) está hecho de cobalto, manganeso, níquel, cobre, hierro, aluminio y otros óxidos metálicos mezclados y sinterizados. Su resistencia disminuye exponencialmente a medida que aumenta la temperatura. El coeficiente de temperatura de resistencia generalmente se expresa como porcentaje. Los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) generalmente están hechos de material de titanato de bario que contiene una pequeña cantidad de elementos de tierras raras y se sinterizan a altas temperaturas. Cuando la temperatura de este material aumenta a la temperatura de Curie, su resistencia aumenta repentinamente de manera exponencial y la tasa de cambio de temperatura de resistencia suele estar entre 20% y 40%. El primero se usa ampliamente en la carga rápida de baterías de níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico y litio, y el ajuste del contraste de la imagen de la pantalla de cristal líquido (LCD). Los osciladores de cristal con compensación de temperatura se usan ampliamente en teléfonos móviles y sistemas de comunicaciones móviles. compensar la temperatura para garantizar la estabilidad del rendimiento del dispositivo. Además, se encuentra en micromotores de computadoras, motores de enfoque de lentes de cámaras, cabezales de impresión de impresoras, servocontroladores de disquetes y unidades de reproductores de bolsillo. Este último se puede utilizar para protección contra sobrecorriente, desmagnetización de calentadores, televisores y monitores en color, retardo de arranque de motores de compresores de bolsillo y prevención de fallas térmicas de transistores de efecto constante (FET) de computadoras portátiles.

Para garantizar el buen funcionamiento de la información, todavía existen muchos materiales que realizan contribuciones silenciosas. Por ejemplo, los materiales utilizados para fabricar baterías ecológicas incluyen aleación MH y Ni(OH)2 para los electrodos positivos y negativos de las baterías de hidruro metálico de níquel, y materiales de carbono LiCoO2, LiMn2O4 y MCMB para los electrodos positivos y negativos de las baterías de iones de litio. . Los materiales utilizados para los condensadores de tantalio en equipos de audio/vídeo digitales, como teléfonos móviles, ordenadores personales y cámaras digitales, reproductores/grabadores de MD, equipos de DVD y consolas de juegos, el material de imán permanente moderno Fe14Nd2B se utiliza en la fabricación de electrodos de imán permanente y cojinetes magnéticos; , auriculares, dispositivos microondas y otros aspectos son muy importantes. Las placas de circuito impreso (PCB) y los nuevos laminados revestidos de cobre (CCL) ultrafinos con pérdidas dieléctricas altas y bajas; compuestos de moldeo epoxi, cerámicas de óxido de aluminio y nitruro de aluminio son materiales de embalaje para semiconductores y chips de circuitos integrados. y los materiales auxiliares del proceso (reactivos de alta pureza, gases especiales, materiales de embalaje de plástico, materiales de estructura de plomo, etc.) son infinitos. Estos nuevos materiales, que brillan intensamente en el vasto mundo material, desempeñan un papel indispensable en la vida digital.

Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los circuitos integrados a gran escala marcarán el comienzo de la era de la tecnología microelectrónica de silicio submicrométrica (0,1 mm). Las líneas de menos de 0,1 mm pertenecen a la categoría de nanómetros y su ancho de línea se acerca al número de electrones de De Broglie. El transporte y la dispersión de electrones dentro del dispositivo también mostrarán características cuantificadas. Por lo tanto, desde el principio de funcionamiento y la tecnología de proceso del dispositivo, el diseño del dispositivo enfrentará una serie de problemas espinosos, que conducirán a la llamada "tecnología microelectrónica del silicio". Dado que la frecuencia de la luz es mucho mayor que la de la radio, es una tendencia inevitable cambiar el portador de información de electrones a fotones para aumentar la velocidad de transmisión y la densidad del portador. Se han desarrollado una variedad de cristales láser y materiales optoelectrónicos, como Nd:YAG, Nd:YLF, Ho:YAG, Er:YAG, Ho:Cr:Tm:YLF, Ti:Al2O3, YVO4, Nd:YVO4, Ti: Al2O3, KDP et al. Nb)O3, Fe:KnBO3, BaTiO3, VUELTA, etc. Todos estos materiales contribuirán a la industria de la tecnología optoelectrónica centrándose en las comunicaciones ópticas, el almacenamiento óptico y las pantallas optoelectrónicas. A medida que los materiales de información se desarrollen desde materiales electrónicos, materiales microelectrónicos, materiales optoelectrónicos hasta materiales fotónicos, habrá memorias de un solo electrón, nanochips, computadoras cuánticas, computadoras digitales totalmente ópticas, computadoras superconductoras, computadoras químicas, computadoras biológicas y computadoras neuronales. afectará en gran medida la vida digital humana.

Desde principios de este siglo, la vida digital con la comunicación digital, el intercambio digital y el procesamiento digital como contenido principal nos está llamando y acercándose a nosotros paso a paso. Por la mañana, el altavoz MP3 reproduce agradables canciones matutinas que nos instan a levantarnos a tiempo. De camino al trabajo, encendemos nuestra computadora portátil y hacemos arreglos laborales para el nuevo día; después del trabajo, realizamos reuniones en línea y realizamos enseñanza remota y trabajo en tiempo real a través de Internet antes de salir del trabajo, iniciamos el trabajo de forma remota; aire acondicionado y regulador de humedad en casa para garantizar que la temperatura ambiente en casa sea adecuada, de camino al trabajo enciendo mi teléfono móvil y miro tranquilamente películas y programas de televisión maravillosos antes de entrar a casa, recibo los productos solicitados en línea; después de regresar a casa, interactúo con la televisión por cable, veo y descargo mis películas y canciones favoritas, produzco multimedia y también accedo a Internet comunitario para buscar noticias y conocer el clima... ¿No se ve genial? Parece tan lejano. De hecho, está sucediendo y sucederá a nuestro alrededor.

Con la aparición de una nueva generación de ordenadores domésticos e Internet, esta maravillosa vida digital se hará realidad.

Mientras disfrutas de la vida digital, no olvides a los héroes que han hecho grandes contribuciones a este: ¡el colorido mundo de los nuevos materiales!