¿Cuáles son los campos de aplicación de los semiconductores?
¿Imagina tu vida sin el concepto de números? Será un mundo caótico, ya sea su número de teléfono móvil, su número de identificación o el número de su casa, ¡todos ellos están expresados en números! Juegos electrónicos, correo electrónico, música digital, fotografías digitales, discos multimedia, conferencias en línea, aprendizaje a distancia, compras en línea, banca electrónica y dinero electrónico... casi todo se puede representar mediante 0 y 1. La aparición de las computadoras e Internet ha dado a las personas un mayor espacio para la imaginación y la visualización. Nuestras vidas se han vuelto más ricas, más flexibles y más agradables entre los simples "0" y "1". Las cámaras digitales, los reproductores de MP3, los reproductores de bolsillo, los reproductores de DVD, los PDA, los multimedia, las consolas de juegos multifunción, la RDSI y otros productos electrónicos de moda están siendo reconocidos y aceptados gradualmente por la gente. La digitalización se lleva con nosotros a todas partes y, por lo tanto, tenemos novedades más diversas. Las experiencias audiovisuales, la música y los sentimientos fluyen silenciosamente en la vida digital...
La vida digital se ha convertido en una característica de la era de la información. Detrás de esto, hay nuevos materiales. oculto Con grandes contribuciones, los nuevos materiales son los "héroes detrás de escena" de la vida digital.
La computadora es un dispositivo importante en la vida digital. Los componentes centrales de la computadora son la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria (RAM). Están construidos en base a circuitos integrados a gran escala. Estos circuitos integrados están todos hechos de materiales semiconductores. Las obleas de Si son la primera generación de materiales semiconductores que se utilizan en circuitos integrados y deben tener un gran diámetro, alta integridad cristalina, alta precisión geométrica y alta limpieza. Para lograr que los circuitos integrados tengan alta eficiencia, bajo consumo de energía y rendimiento de alta velocidad, se han desarrollado materiales semiconductores monocristalinos de segunda generación, como GaAs e InP. Los materiales semiconductores de banda prohibida amplia de tercera generación, como SiC, GaN, ZnSe y diamante, nuevos materiales basados en silicio como SiGe/Si, SOI (Silicon On Insulator) y materiales de pozos cuánticos de superred pueden producir alta temperatura (300~ 500 °C), los dispositivos emisores de luz y los dispositivos de detección de alta frecuencia, alta potencia, resistentes a la radiación, azul-verde y ultravioleta, que mejoran en gran medida el rendimiento de los circuitos integrados de silicio originales, son una importante dirección de desarrollo para los materiales semiconductores. en el futuro.
El intercambio 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 más utilizados para mostrar información estática son impresoras, fotocopiadoras, máquinas de fax y escáneres, que generalmente se denominan dispositivos de entrada y salida de información. Para mejorar la resolución y la velocidad de entrada y salida, es necesario desarrollar materiales fotosensibles altamente sensibles y estables, como materiales de tambor fotosensibles en impresoras y fotocopiadoras láser, actualmente se utilizan aleaciones de selenio inorgánico y tintes de ftalocianina orgánica. El componente principal 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. La mayoría de los materiales electroluminiscentes utilizados actualmente en CRT están dopados con tierras raras (Tb3, Sn3, Eu3, etc.) y Materiales Inorgánicos como sulfuros (ZnS, CdS, etc.) y óxidos (Y2O3, YAlO3) dopados con elementos de transición (Mn2).
Para reducir el enorme tamaño de los CRT, la tendencia de la visualización de información es la alta resolución, la gran capacidad de visualización, plana, delgada y grande. Para ello, se utiliza la tecnología de visualización de cristal líquido (LCD) y la visualización de campo. La tecnología se utiliza principalmente Las tecnologías de visualización de pantalla plana, como la tecnología de visualización de emisiones (FED), la tecnología de visualización de plasma (PDP) y la tecnología de visualización de diodos emisores de luz (LED), se utilizan ampliamente en televisores de alta definición (HDTV), videoteléfonos, Computadoras (de escritorio o portátiles) En términos de objetivos de aplicación como monitores, automóviles y pantallas de terminales digitales personales, CRT ya no destaca, pero se ha creado una situación en la que compite con varias pantallas planas.
Los materiales de cristal líquido utilizados en la tecnología de pantallas de cristal líquido se han utilizado durante mucho tiempo en relojes, calculadoras, computadoras portátiles y cámaras. Los materiales de cristal líquido utilizados anteriormente eran el fenilciclohexano y el ciclohexilciclohexano. Materiales de fase nemática y quiral como la piridina. Posteriormente se desarrollaron materiales a base de piridina. Se desarrollaron cristales líquidos ferroeléctricos (FE) con tiempos de respuesta en el rango de microsegundos. Sin embargo, los cristales líquidos ferroeléctricos tienen poca estabilidad y solo pueden usar el método de cadena lateral para mejorar. Existe una tendencia actual hacia el desarrollo de cristales líquidos antiferroeléctricos debido a su mayor estabilidad.
Los materiales de visualización de cristal líquido tienen ciertas dificultades en las pantallas de gran tamaño. Actualmente, los principales candidatos para las pantallas de gran tamaño son las pantallas de plasma (PDP) y los diodos emisores de luz (LED). El fósforo utilizado en el PDP es óxido de aluminio y bario dopado con tierras raras. El uso de materiales similares al diamante como cátodos fríos y óxidos dopados con iones de tierras raras como materiales luminiscentes promueve el desarrollo de visualizadores de emisiones de campo (FED). Los materiales semiconductores utilizados para fabricar diodos emisores de luz de alto brillo son 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 que alcanza los terabytes (Tb, 1012 bits), y el flujo de información a una velocidad ultrarrápida alcanza los terabits. por segundo (Tb/s), se puede decir que la humanidad ha entrado en la era de la información terrestre. Los métodos modernos de almacenamiento de información son diversos. Tomando como ejemplo el almacenamiento del sistema informático, los métodos de almacenamiento se dividen en almacenamiento interno aleatorio, almacenamiento externo en línea, almacenamiento externo fuera de línea y almacenamiento fuera de línea. La memoria de acceso aleatorio requiere una alta integración y una rápida velocidad de acceso a los datos, por lo que siempre ha estado dominada por la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) de semiconductores basada en tecnología microelectrónica integrada a gran escala. La memoria de acceso aleatorio de 256 megabits tiene más de 200 millones de transistores. . La mayoría del almacenamiento externo utiliza grabación magnética. Las principales formas de medios de almacenamiento magnético son cintas, burbujas magnéticas, discos blandos y discos duros. La mejora de la densidad de almacenamiento magnético se basa principalmente en la mejora de los materiales de los medios magnéticos y los óxidos magnéticos (como g-Fe2O3, CrO2, polvo magnético metálico, etc.), sistemas de ferrita, polvos de óxido magnético ultrafinos, recubrimiento no electrolítico de cobalto. Las aleaciones de níquel o la pulverización catódica al vacío se evaporan en medios de película delgada magnética continua de aleaciones a base de co y otros materiales, y la capacidad de almacenamiento de información del almacenamiento magnético se ha mejorado enormemente. La memoria de estado sólido (flash) (memoria flash) es una memoria no volátil y reescribible. Es un circuito integrado basado en diodos semiconductores. Es relativamente compacto y resistente y se puede insertar entre la memoria y la memoria externa. Los materiales del núcleo del cabezal de grabación generalmente utilizan materiales magnéticos blandos con inducción magnética de gran saturación, como 80Ni-20Fe, Co-Zr-Nb, Fe-Ta-C, 45Ni-55Fe, Fe-Ni-N, Fe-Si, Fe-Si. -Ni, 67Co-10Ni-23Fe, etc. Los materiales de magnetorresistencia gigante (GMR) desarrollados en los últimos años tienen una fuerte reducción de la resistencia bajo un determinado campo magnético. Generalmente, la reducción es más de 10 veces mayor que el valor de magnetorresistencia de los metales y aleaciones magnéticos ordinarios. GMR generalmente se compone de una capa libre/capa conductora/capa fijada/capa antiferromagnética. La capa libre puede ser Ni-Fe, Ni-Fe/Co, Co-Fe y otros materiales magnéticos fuertes, con Co-Cr-Pt y. En otras películas de imanes permanentes, la capa conductora es una película de cobre con un espesor de varios nm, la capa fijada es una aleación de Co magnética suave con un espesor de varios nm y la capa fija de magnetización está hecha de Ni-O, Ni-Mn. , Mn-In, Fe-Cr con un espesor de 5 a 40 nm - Estructura laminada libre de antiferromagnetos como Pt, Cr-Mn-Pt, Fe-Mn y capa de Ru/Co. El uso de cabezales de lectura con efecto GMR ha aumentado la densidad de grabación en disco casi veinte veces. Por lo tanto, la investigación sobre el efecto de magnetorresistencia gigante es de gran importancia para el desarrollo del almacenamiento magnético.
El auge de los discos láser y los tocadiscos láser en el campo del audio y el vídeo se ha beneficiado del tremendo desarrollo de la tecnología de almacenamiento óptico. El almacenamiento en disco óptico utiliza rayos láser modulados para codificar información en forma de puntos de luz. y grabarlo en discos ópticos en medio de recubrimiento. En comparación con la tecnología de almacenamiento magnético, la tecnología de almacenamiento en disco óptico tiene una gran capacidad de almacenamiento y una larga vida útil de lectura/escritura y borrado sin contacto, el cabezal óptico no desgasta ni raya la superficie del disco, por lo que el sistema de disco óptico es confiable y puede ser reemplazado libremente después de lecturas repetidas. La relación escritura-ruido (CNR) no se degrada.
A medida que la tecnología de almacenamiento en disco óptico evoluciona desde CD (Disco compacto) y DVD (Disco versátil digital) hasta futuros DVD de alta densidad (HD-DVD) y DVD de ultra alta densidad (SHD-DVD), los materiales de los medios de almacenamiento son la clave. y escritura una vez Los materiales del disco óptico son de tipo ablativo (película de aleación de Tc, película amorfa de Se-Tc, etc.) y de tipo de cambio de fase (película amorfa de Te-Ge-Sb, película de la serie AgInTeSb, película de ZnO dopada, azoico push-pull). tinte, principalmente (tinte subftalocianina), los materiales de discos ópticos borrables y regrabables son principalmente magnetoópticos (GdCo, película amorfa de TeFe, película de BiMnSiAl, granate YIG dopado con tierras raras, película multicapa de Co-Pt). La densidad del almacenamiento en disco óptico depende de la longitud de onda del tubo láser. Cuando el disco DVD utiliza un tubo láser rojo InGaAlP (longitud de onda de 650 nm), un disco con un diámetro de 12 cm puede almacenar 4,7 gigabytes (GB) por lado, mientras que utiliza ZnSe. (longitud de onda 515 nm) puede hasta 12 GB. En el futuro, se utilizarán tubos láser GaN (longitud de onda 410 nm) y la densidad de almacenamiento puede alcanzar los 18 GB. Para leer y escribir información en discos ópticos se deben utilizar láseres semiconductores de alta potencia. Los diodos láser utilizados están hechos de semiconductores compuestos como GaAs y GaN.
Además de las aplicaciones de almacenamiento en discos ópticos, los láseres también son bien conocidos por su papel en las comunicaciones ópticas. Debido al bajo umbral, el bajo consumo de energía, la larga vida útil y la rápida respuesta de los láseres semiconductores, la comunicación por fibra óptica se ha convertido en una realidad. La comunicación óptica consiste en convertir señales eléctricas en señales ópticas a través de láseres semiconductores, luego transmitirlas a largas distancias a través de fibras ópticas y finalmente convertir las señales ópticas en señales eléctricas para la recepción humana. Las señales ópticas transmitidas por fibras ópticas son emitidas por láseres, láseres semiconductores de uso común, y los materiales utilizados son GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InGaAlP, GaSb, etc. El fotodetector utilizado en el extremo receptor también está fabricado de material semiconductor. Sin fibra óptica, la comunicación óptica sólo puede ser "hablar sobre papel". La fibra óptica de baja pérdida es el material clave para la comunicación por fibra óptica. Los materiales de detección de fibra óptica que se utilizan actualmente incluyen principalmente vidrio de cuarzo de baja pérdida, vidrio de fluoruro, vidrio de sulfuro a base de Ga2S3 y fibra óptica de plástico de 1 kg. Puede reemplazar toneladas de cables de cobre y aluminio. La aparición de la comunicación por fibra óptica es una revolución en la transmisión de información. La gran capacidad de información, el peso ligero, la pequeña ocupación de espacio, la interferencia antielectromagnética, la menor diafonía y la gran confidencialidad son las ventajas de la comunicación por fibra óptica. 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 transmisión por cable, la información también se transmite de forma inalámbrica. El avance más espectacular en las comunicaciones inalámbricas es el teléfono móvil. Cuantos más usuarios de teléfonos móviles haya, mayor será la frecuencia utilizada. Ahora se está pasando a la frecuencia gigabit. La transmisión y recepción por microondas de los teléfonos también se realiza mediante transistores semiconductores, y algunos de los transistores de Si están siendo reemplazados por transistores de GaAs. Los materiales piezoeléctricos en los dispositivos SAW (Surface Acoustic Wave) y BAW (Bulk Surface Acoustic Wave) de alta frecuencia ampliamente utilizados en teléfonos móviles son cristales piezoeléctricos como a-SiO2, LiNbO3, LiTaO3, Li2B4O7, KNbO3, La3Ga5SiO14, etc. -materiales de película fina sónica como ZnO/Al2O3 y SiO2/ZnO/DLC/Si, los materiales cerámicos dieléctricos de microondas utilizados se concentran en el sistema BaO-TiO2, BaO-Ln2O3-TiO2 (Ln=La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd ), sistema compuesto de perovskita A (B1/3B￠2/3) O3 (A=Ba, Sr; B=Mg, Zn, Co, Ni, Mn; B￠=Nb, Ta) y a base de plomo. Sistema compuesto de mineral de calcio y titanio y otros materiales.
Con la creciente demanda de dispositivos térmicos de alta precisión en instrumentos y medidores inteligentes, así como la rápida popularidad de los teléfonos portátiles, PDA, computadoras portátiles y otros equipos portátiles de información y comunicación, la industria de los sensores de temperatura ha Impulsado aún más por la gran demanda de termistores, los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) están hechos de Co, Mn, Ni, Cu, Fe, Al y otros óxidos metálicos mezclados y sinterizados, y su resistencia aumenta exponencialmente con la temperatura. -El coeficiente de temperatura suele estar en el rango de un pequeño porcentaje, lo que permite detectar cambios de temperatura extremadamente pequeños. Los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) generalmente están hechos de cerámica sensible hecha de material BaTiO3 con una pequeña cantidad de elementos de tierras raras agregadas y sinterizadas a alta temperatura. Cuando la temperatura de este material aumenta hasta el punto de temperatura de Curie, su resistencia aumentará exponencialmente. Un aumento repentino, generalmente la tasa de cambio de temperatura de resistencia está entre 20 y 40. El primero se usa ampliamente en la carga rápida de baterías de níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico y litio, ajuste de contraste de imagen de pantalla de cristal líquido (LCD) y osciladores de cristal con compensación de temperatura ampliamente utilizados en teléfonos celulares y sistemas de comunicaciones móviles para compensación de temperatura. , para garantizar un rendimiento estable 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, prevención de fallas térmicas de FET de computadoras portátiles, etc.
Para garantizar el buen funcionamiento de la información, hay muchos materiales que contribuyen silenciosamente. Por ejemplo, los materiales utilizados para fabricar baterías ecológicas incluyen: aleación MH y materiales de Ni (OH)2, electrodo. materiales como LiCoO2, LiMn2O4 y materiales de carbono MCMB para los electrodos positivos y negativos de baterías de iones de litio, teléfonos móviles, PC y audio/vídeo digital como cámaras digitales, reproductores/grabadores de MD, equipos de DVD y consolas de juegos. Materiales utilizados en condensadores de tantalio. en equipos, etc.; el moderno material magnético permanente Fe14Nd2B es muy importante en la fabricación de electrodos magnéticos permanentes, cojinetes magnéticos, auriculares y placas de circuito impreso (PCB) y materiales ultrafinos de alta y baja pérdida dieléctrica para cobre nuevo; laminados revestidos (CCL); compuestos de moldeo epoxi, cerámicas de óxido de aluminio y nitruro de aluminio son materiales de embalaje para semiconductores y chips de circuitos integrados; materiales auxiliares estructurales y de proceso clave para circuitos integrados (reactivos de alta pureza, gases especiales, materiales de embalaje de plástico, marcos de plomo). materiales, etc.), por nombrar algunos. Estos nuevos materiales, que están brillando con fuerza en el vasto mundo de los materiales, están desempeñando 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 línea. El ancho ya es el mismo que el número de electrones de De Broglie y el transporte y dispersión de electrones dentro del dispositivo también mostrará características cuantificadas. Por lo tanto, el diseño del dispositivo enfrentará una serie de problemas espinosos derivados del principio de funcionamiento. y la tecnología de proceso del dispositivo, lo que lleva a lo que a menudo se llama microelectrónica de silicio. Los "límites" de la tecnología. Dado que la velocidad de los fotones es mucho más rápida que la de los electrones y la frecuencia de la luz es mucho mayor que la de la radio, para aumentar la velocidad de transmisión y la densidad del portador, es una tendencia inevitable que el portador de información cambie de electrones a fotones. Se han desarrollado muchos tipos de cristales láser y materiales optoelectrónicos, como Nd:YAG, Nd:YLF, Ho:YAG, Er:YAG, Ho:Cr:Tm:YAG, Er:YAG, Ho:Cr:Tm:YLF, Ti: Al2O3, YVO4, Nd: YVO4, Ti: Al2O3, KDP, KTP, BBO, BGO, LBO, LiNbO3, K(Ta, Nb)O3, Fe: KnBO3, BaTiO3, LAP, etc., todos estos materiales serán Se utiliza para comunicación óptica, almacenamiento óptico y visualización optoelectrónica para hacer contribuciones a la industria de la tecnología optoelectrónica. A medida que los materiales de información se desarrollen desde materiales electrónicos, materiales microelectrónicos y 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. Las nanocomputadoras afectarán en gran medida la vida digital humana.
Desde este siglo, la Vida Digital (Vida Digital), que está dominada por las tecnologías de Comunicación Digital, Conmutación Digital y Procesamiento Digital, nos está llamando, llegando paso a paso, temprano en la mañana. , los parlantes MP3 reproducen dulces canciones matutinas que nos instan a levantarnos a tiempo de camino al trabajo, abrimos las computadoras portátiles que llevamos con nosotros para hacer arreglos laborales para el nuevo día, realizamos reuniones en línea y reuniones remotas; a través de Internet Enseñanza y trabajo de oficina en tiempo real, antes de salir del trabajo, encendemos de forma remota el aire acondicionado y el regulador de humedad en casa para asegurarnos de que la temperatura ambiente sea adecuada; y ver interesantes películas y programas de televisión tranquilamente antes de entrar a la casa, recibimos los productos pedidos en línea. De regreso a casa, puede interactuar con estaciones de televisión por cable, ver y descargar sus películas, programas de televisión y canciones favoritos, crear multimedia y acceder a la comunidad; Internet para buscar noticias y conocer el tiempo… ¿No te parece increíble todo esto? Parece tan lejano. De hecho, está sucediendo y sucederá a nuestro alrededor con la aparición de una nueva generación de computadoras domésticas e Internet, una vida digital tan hermosa se hará realidad. Mientras disfruta de la vida digital, beba agua y piense en la fuente. ¡No olvide a los héroes que han hecho grandes contribuciones a este colorido mundo de nuevos materiales!