Chips de tu teléfono: cristales y física del estado sólido en CH | ORBITECH

¿Por qué tu teléfono depende de cristales?

Los chips modernos usan obleas de silicio cristalino con pureza de 99.9999999% (grado '9N'), más puro que el agua potable.
Recuerda: el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (27.7%)
La estructura cristalina permite 'dopar' el material con fósforo o boro para crear transistores en miniatura.
Dopaje n = electrones extra, dopaje p = huecos (electrones faltantes)
La brecha de energía del silicio es $E_{g} = 1.12 eV$ a 300 K, clave para su uso en electrónica. $E_{g} = 1.12 eV$
A menor $E_{g}$ , más fácil excitar electrones con luz o calor
En Chile, empresas como SQM usan chips en sistemas de control para la extracción de litio en el Salar de Atacama.
Los chips en minería monitorean temperatura, presión y flujo en tiempo real

E_{g} = 1.12 eV

El silicio cristaliza en una red cúbica centrada en caras (FCC), igual que el diamante pero con átomos de silicio.
FCC = Face Centered Cubic: 8 átomos por celda unitaria
El parámetro de red del silicio es $a = 5.43 Å$ (0.543 nm), tamaño que permite fabricar transistores de 3 nm. $a = 5.43 Å$
1 Å = 10^{-10} m, ¡más pequeño que un virus!
Cada átomo de silicio en la red FCC está unido a 4 vecinos, formando tetraedros perfectos.
Esta geometría permite que los electrones 'saltan' entre átomos con precisión
En Valparaíso, la Universidad Técnica Federico Santa María investiga cristales de silicio para celdas solares más eficientes.
Los paneles solares en el norte de Chile usan chips para maximizar la generación

a = 5.43 Å

La concentración intrínseca de electrones en silicio a 300 K es $n_{i} \approx 1.5 \times 10^{10} {cm}^{- 3}$ . $n_{i} = \sqrt{N_{c} N_{v}} \exp (- \frac{E_{g}}{2 k_{B} T})$
A mayor temperatura, más electrones se excitan a la banda de conducción
La movilidad de electrones en silicio es $μ_{n} \approx 1400 {cm}^{2} / V·s$ a temperatura ambiente. $μ_{n} \approx 1400 {cm}^{2} / V·s$
Movilidad alta = electrones se mueven rápido ante un campo eléctrico
La resistividad del silicio puro es $ρ \approx 2.3 \times 10^{3} Ω \cdot m$ a 300 K. $ρ = \frac{1}{n q μ_{n}}$
Dopando el silicio, la resistividad baja a valores útiles para chips
En Concepción, el Centro de Investigación en Energías de la UdeC usa chips para optimizar sistemas de almacenamiento de energía.
Los inversores solares en Chile llevan chips que convierten corriente continua a alterna

n_{i} = \sqrt{N_{c} N_{v}} \exp (- \frac{E_{g}}{2 k_{B} T})

Una oblea de silicio de 300 mm (12 pulgadas) puede contener más de 50 mil millones de transistores en un chip moderno.
¡Eso es más que la población de Chile y Perú juntos!
El proceso de fotolitografía usa luz ultravioleta para grabar circuitos en la oblea, con precisión de nanómetros.
En Antofagasta, empresas mineras usan servidores con chips de 7 nm para procesar datos en tiempo real
Chile importa chips por más de $1.200 millones de pesos al año para electrónica, telecomunicaciones y minería.
El 60% de los chips se usan en equipos de automatización industrial
La ley de Moore (1965) predice que el número de transistores se duplica cada 2 años, pero hoy se ralentiza por limitaciones físicas.
Por eso los chips son cada vez más pequeños y eficientes

Brecha de energía del silicio: $E_{g} = 1.12 eV$ a 300 K. $E_{g} = 1.12 eV$
Si $E_{g}$ baja, el material se vuelve más conductor
Concentración intrínseca: $n_{i} = \sqrt{N_{c} N_{v}} \exp (- E_{g} / (2 k_{B} T))$ . $n_{i} = \sqrt{N_{c} N_{v}} \exp (- \frac{E_{g}}{2 k_{B} T})$
Usa $k_{B} = 8.617 \times 10^{- 5} eV/K$ y $T = 300 K$
Resistividad en semiconductores dopados: $ρ = 1 / (n q μ_{n})$ . $ρ = \frac{1}{n q μ_{n}}$
$n$ = concentración de portadores, $q$ = carga del electrón
Movilidad de electrones en silicio: $μ_{n} \approx 1400 {cm}^{2} / V·s$ . $μ_{n} \approx 1400 {cm}^{2} / V·s$
A mayor movilidad, mejor rendimiento del chip

E_{g} = 1.12 eV

Años 1950: Desarrollo de los primeros transistores de silicio: La física de semiconductores permitió miniaturizar componentes electrónicos
1958: Primer circuito integrado por Jack Kilby (Bell Labs): Este avance sentó las bases para los chips modernos
Chile importa más de $1.200 millones de pesos en chips al año: Principalmente para minería, energía solar y telecomunicaciones
Un chip moderno tiene entre $10^{9}$ y $10^{11}$ transistores: El tamaño de cada transistor en 2024 es de 3 nanómetros
La Universidad de Chile y la USACH investigan silicio para celdas solares: En el desierto de Atacama, donde la radiación solar es máxima