Semiconductores De Potencia
Octavis Uberstine
A diferencia de los semiconductores tpicos que manejan datos, como las CPU y la memoria, los semiconductores de potencia controlan la energa elctrica y se denominan dispositivos de potencia. En esta seccin se presenta ejemplos de cmo observar y medir semiconductores de potencia (dispositivos de potencia) utilizando microscopios digitales.
Aunque no estn claramente definidos, los semiconductores que controlan una gran cantidad de tensin y corriente y tienen una corriente nominal de 1 A o ms se denominan generalmente semiconductores de potencia.
La expresin electrnica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicacin que se le da a dispositivos electrnicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia as este tipo de aplicacin de otras de la electrnica denominadas de baja potencia o tambin de corrientes dbiles y fuertes.
En este tipo de aplicacin se reencuentran la electricidad y la electrnica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrnicos para controlar la conduccin (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estticos de potencia.
De esta manera, la electrnica de potencia permite adaptar y transformar la energa elctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energa elctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de mquinas elctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrnicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensacin de factor de potencia y/o de armnicos como para suministro elctrico a consumos industriales o incluso la interconexin de sistemas elctricos de potencia de distinta frecuencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformacin de la energa de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de prdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, as como semiconductores trabajando en modo corte/saturacin (on/off, encendido y apagado).
En la actualidad esta disciplina est cobrando cada vez ms importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrnicos en comparacin a los mtodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolucin fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribucin elctrica o manejo de potentes motores.
Las lneas de investigacin actuales buscan la integracin de dispositivos de potencia y control en un nico chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitera de control, as como la disipacin de la potencia perdida.
La pandemia ha sido un disruptor de las dinmicas globales, al igual que un factor clave para visibilizar la vulnerabilidad de las cadenas de suministro. A lo largo de este artculo se revisar el proceso econmico de Taiwn y cmo se inserta en la innovacin. Esto a modo de determinar s esta economa puede ser considerada una potencia o no.
Los aos 2021 y 2022 representan un periodo interesante para esta economa, ya que a pesar de lo complejo que ha sido, Taiwn mantiene nmeros optimistas pese al reto de la pandemia y la guerra en Ucrania. Ejemplo de esto son los datos que presenta el Fondo Monetario Internacional, como el crecimiento anual de 6.5% en 2021 y 3.3% en 2022; la inflacin de 1.9% y 3.1%, respectivamente; y el desempleo del 3.6% para este ao. Siendo de las economas asiticas que menos afectadas se han visto frente a la turbulencia econmica y el escenario que se vislumbra para 2023.
Este reto logr sortearse con el cambio de normativa respecto a China continental, pues para 1990 las empresas taiwanesas comenzaron a colocar capital del otro lado del estrecho de Taiwn, logrando un abaratamiento de costos y una nueva ola. Sin embargo, esto llev a un momento de crisis para final de la dcada, motivado por un crecimiento desequilibrado, la dependencia excesiva de la tecnologa extranjera y la escasez de marcas reconocidas internacionalmente. Situacin que llev a una mayor proximidad con los socios continentales, teniendo como resultado que las exportaciones taiwanesas con China continental crecieran de 1.2 a 19.1 mil millones de dlares entre 1987 a 1996.
La consolidacin de estas empresas da pie a resolver la pregunta: por qu los semiconductores[1] taiwaneses son los ms innovadores del mundo? Esta pregunta se resuelve a travs de la evolucin que ha tenido esta industria dentro de este territorio.
Es importante destacar cmo la conjugacin de las polticas, el desarrollo empresarial y la educacin llevaron a en menos de 50 aos Taiwn logr la autosuficiencia. La alta manufactura de nanotecnologa que se logr es algo que hasta el contexto de la pandemia se visibiliza, principalmente dejando en evidencia que este expertise es algo que ninguna otra economa del Este de Asia o Norteamrica tiene. Respecto a esto ltimo, es importante sealar que en el colectivo las marcas que se identifican no son las taiwanesas, sino empresas como: Intel (Estados Unidos), Samsung Electronics (Corea del Sur) SK Hinyx (Corea del Sur), Micron Technology (Estados Unidos), Qualcomm (Estados Unidos), Broadcom (Estados Unidos), Texas Instruments (Estados Unidos), MediaTek (Taiwn), Kioxia (Japn) y Nvidia (Estados Unidos). Si bien estas empresas son las que comercializan, es importante sealar que el suministro de estas empresas se localiza en un 80% en Asia, del cual 90% se produce en Taiwn (BBC, 2021).
El carburo de silicio (SiC) es una alternativa creciente a los componentes electrnicos basados en silicio, especialmente en aplicaciones de banda prohibida ancha. Este material ofrece una combinacin nica de mayor eficiencia energtica, menor tamao, menor peso y menor coste global de los sistemas.
El carburo de silicio (SiC) es un material con potencial para una amplia variedad de aplicaciones avanzadas. Utilizado originalmente como abrasivo por su dureza, el SiC ha encontrado desde entonces aplicaciones muy diversas, como anillos de estanqueidad, motores disel, circuitos electrnicos, intercambiadores de calor industriales, turbinas de gas y sistemas de conversin de alta temperatura.
Hoy en da, el carburo de silicio podra ser la clave del futuro de la energa sostenible. Los semiconductores de potencia de SiC pueden aumentar la eficiencia de la conversin de energa, soportar tensiones y corrientes ms elevadas y resistir temperaturas de funcionamiento ms altas que los dispositivos convencionales basados en silicio. Todos estos factores ofrecen ventajas esenciales para dispositivos como fuentes de alimentacin de centros de datos, mdulos de energa elica o solar y convertidores de propulsin de vehculos elctricos.
El crecimiento de cristales de SiC se realiza generalmente mediante el mtodo de transporte fsico de vapor (PVT). Por lo general, el material fuente de polvo de SiC se sublima a temperaturas elevadas superiores a 2000 C y cristaliza a una semilla ligeramente ms fra. La eleccin adecuada de la fuente de polvo de SiC durante el crecimiento PVT es un requisito previo para lograr una alta calidad cristalina en el boule de SiC final. Varios factores influyen en el proceso de crecimiento, como la estequiometra, la pureza, el poliotipo, la distribucin de tamaos y la densidad de empaquetamiento relacionada. En principio, la fuente de SiC ideal experimenta un cambio morfolgico menor durante el crecimiento. La evolucin debe ser suave y la superficie hacia la interfaz de crecimiento del cristal debe ser estable.
La sntesis de SiC por el mtodo Acheson tiene una larga historia industrial y se ha adaptado para satisfacer un mercado cambiante en aplicaciones. La versatilidad y la eficiencia energtica en comparacin con las rutas qumicas lo convierten en una alternativa interesante para el crecimiento de cristales de SiC por PVT. La creciente demanda de dispositivos semiconductores de potencia de SiC requerir grandes volmenes de material de partida de SiC que puedan seguir cumpliendo los estrictos requisitos tcnicos intrnsecos a las aplicaciones. Acheson SiC podra proporcionar al mercado SiC de calidad en grandes volmenes y a un coste reducido.
En un horno a medida, las materias primas de alta pureza reaccionan a altas temperaturas para formar el crudo. A continuacin, el material se tritura y se muele con un equipo especialmente desarrollado para minimizar la contaminacin. A continuacin, una etapa de clasificacin garantiza una distribucin ptima del tamao de las partculas para el crecimiento de los cristales.
El desarrollo del nuevo material fuente de polvo de SiC, con un tamao medio de partcula de unos 300 m y una densidad de empaquetado suelto superior a 1,6 g/cm3, ofrece varias propiedades beneficiosas para el crecimiento de bolos de SiC de alta calidad, necesario para la aplicacin industrial. La morfologa del polvo de SiC tiende a suprimir el desprendimiento de partculas de polvo de carbono, lo que resulta ventajoso para alcanzar una alta calidad cristalina. El suave comportamiento de sublimacin permite un proceso de cristalizacin homogneo que presenta una interfaz de crecimiento de SiC estable y ligeramente convexa.
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