Introducción: Las cerámicas semiconductoras son compuestos químicos muy útiles en los procesos de fabricación gracias a sus características únicas. Este artículo examina la naturaleza y las propiedades de cinco cerámicas semiconductoras, así como sus usos en el sector manufacturero. Un buen conocimiento de estas cerámicas semiconductoras mejorará su uso.
La alúmina como cerámica semiconductora
La alúmina, también conocida como óxido de alúmina, es un material cerámico semiconductor. Se obtiene de la naturaleza en forma mineral. También se puede producir como material sintético mediante la fusión de materiales sólidos de aluminio. La alúmina se encuentra en diversas formas, por lo que se dice que es amorfa. Por ejemplo, la alúmina, que se encuentra en forma de cristal, se conoce como corindón.
La siguiente tabla muestra las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la alúmina.
Tabla 1: Propiedades de la alúmina (óxido de aluminio), un material cerámico semiconductor
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Propiedades físicas |
Propiedades químicas |
Propiedades mecánicas |
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Es pesado. Un cubo de alúmina de aproximadamente un metro de lado puede pesar hasta 3200 kilos. |
Está formulado por la combinación de dos átomos de aluminio y tres átomos de oxígeno para dar Al2O3. |
Es una sustancia muy dura, sólo superada por el diamante. |
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Tiene una densidad de 3,987 g/cm3. |
Es una sustancia no venenosa y sin olor. |
Es relativamente estable a altas temperaturas. |
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Es una sustancia amorfa. Es decir, no tiene una forma particular. |
No se puede disolver en agua. |
Tiene excelentes características de resistencia al desgaste. |
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Está en forma de polvo. |
Es inflamable cuando se combina con sustancias como el óxido de etileno, que es en sí mismo un gas peligroso. |
La forma más pura de esta sustancia resiste mejor la corrosión que las formas impuras. |
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Es una sustancia blanquecina. |
Es un aislante eléctrico. |
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Tiene un punto de ebullición alto de 2.200 K. |
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Tiene un alto punto de fusión de 3.200 K. |
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Se presenta en forma de cristales y no cristales. |
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Exhibe características de conductividad térmica en cerámica. |
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Usos de la alúmina en cerámicas semiconductoras: Los usos de la alúmina se relacionan con sus características físicas, químicas y mecánicas como cerámica semiconductora. Son los siguientes:
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Recubrimiento de equipos que se utilizan como hornos, debido a que la alúmina tiene la capacidad de soportar temperaturas muy altas;
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Se utiliza para la producción de joyas.
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Se utiliza para la producción de equipos de corte, debido a su naturaleza dura; y
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Se utiliza para la producción de papel lija que se utiliza para alisar superficies rugosas.
El nitruro de silicio como cerámica semiconductora
El nitruro de silicio es una cerámica semiconductora producida sintéticamente. Los procesos de producción, que son muy costosos y requieren equipos especializados, son los siguientes:
i. Nitruración directa: En este proceso, se queman polvo de silicio y gas nitrógeno a temperaturas muy altas para producir nitruro de silicio.
ii. Nitruración: Aquí, la reacción de los cristales de polvo de silicio en un proceso de unión conduce a la producción de nitruro de silicio.
En la misma línea, las propiedades físicas, químicas y mecánicas del nitruro de silicio se destacan en la siguiente tabla:
Tabla 2: Propiedades del nitruro de silicio como cerámica semiconductora
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Propiedades físicas |
Propiedades químicas |
Propiedades mecánicas |
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Es una sustancia blanquecina. |
Es una sustancia altamente pura. |
Tiene una amplia brecha energética. |
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Es un compuesto denso, pero de peso ligero. |
Tiene buena conductividad eléctrica. |
Es una sustancia extremadamente dura. |
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Tiene un alto punto de fusión. |
Tampoco reacciona fácilmente a la mayoría de los productos químicos. |
Es estable a temperaturas muy altas. |
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Requiere la aplicación de pequeñas cantidades como cerámica semiconductora. |
Proporciona resistencia y tenacidad a los materiales, haciéndolos muy duraderos. |
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Es muy resistente al desgaste. |
Usos del nitruro de silicio En cerámicas semiconductoras, se incluyen los siguientes:
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Se utiliza en la construcción de turbinas;
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Para la producción de equipos y herramientas que se utilizan en procedimientos quirúrgicos;
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De gran utilidad en la fabricación de implantes dentales y ortopédicos;
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Útil para la síntesis de microchips;
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El nitruro de silicio es ligero y, por lo tanto, adecuado para la fabricación de aeronaves, para facilitar movimientos estables;
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Se utiliza para la formación de diodos emisores de luz ultravioleta.
El nitruro de boro como cerámica semiconductora
El nitruro de boro es una cerámica semiconductora poco común en el medio ambiente. Es una sustancia poco común, que se utiliza principalmente en su forma sintética, es decir, artificial. También se le conoce como grafito blanco, debido a su gran similitud con el granito.
El costo de producción del nitruro de boro es elevado y se requiere experiencia para operar el equipo de producción. El alto costo de producir formas sintéticas de la sustancia dificulta el acceso a ella para algunas industrias. Esto, a pesar de las ventajas de su uso en actividades de producción que requieren cerámica semiconductora.
Tabla 3: Propiedades del nitruro de boro como cerámica semiconductora
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Propiedades físicas |
Propiedades químicas |
Propiedades mecánicas |
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Es suave y lubricante. |
Se crea mediante la síntesis de óxido de boro y nitrógeno para formar nitruro de boro. |
Es altamente resistente a la corrosión. |
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Se presenta en tres formas cristalinas principales. |
No es tóxico. |
Es una sustancia dura, como el diamante.
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Tiene un alto punto de fusión. |
Se produce en condiciones de temperatura muy altas para purificar su forma. |
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Es un excelente conductor de electricidad. |
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Formas de nitruro de boro como cerámica semiconductora: El nitruro de boro es un tipo peculiar de cerámica semiconductora, porque se presenta en tres formas cristalinas principales, a saber:
i. H-BN (nitruro de boro hexagonal): es blando, lubricante y tiene baja conductividad eléctrica. Las formas generadas a partir de esta forma de nitruro de boro suelen ser densas.
ii. C-BN, que se produce al someter H-BN a temperaturas muy altas. Los productos de C-BN son muy duros; y
iii. El W-BN se forma a temperaturas más bajas que el C-BN. Es muy útil en la producción de formas duras. Además, presenta una densidad menor que las otras formas de nitruro de boro.
Usos del nitruro de boro como cerámica semiconductora incluye lo siguiente
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Producción de disipadores de calor.
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Construcción de hornos.
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Síntesis de materiales ópticos.
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Preparación de cosméticos; y
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Fabricación de materiales de corte.
Nitruro de aluminio como cerámica semiconductora
Descripción: El nitruro de aluminio es una cerámica semiconductora. Se trata de aluminio sólido que se presenta en forma de nitruro. Es una opción popular entre las cerámicas semiconductoras debido a su naturaleza no tóxica, ya que puede usarse de forma segura en la fabricación. El nitruro de aluminio se produce sintéticamente mediante la combinación de aluminio y nitrógeno.
Tabla 4: Propiedades del nitruro de aluminio como cerámica semiconductora
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Propiedades físicas |
Propiedades químicas |
Propiedades mecánicas |
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Es una sustancia blanquecina. |
La polarización espontánea confiere al nitruro de aluminio un fuerte carácter iónico. |
Es altamente resistente a la corrosión. |
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Tiene un punto de fusión alto de unos 2.200ºC. |
Se hidroliza lentamente en agua mediante ataques a los límites de sus granos. |
Existe como una estructura cristalina, conocida como wurtzita hexagonal. |
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Tiene un punto de ebullición alto de unos 2.500ºC. |
La sustancia puede ser descompuesta por ácidos y álcalis a través de ataques a los granos de nitruro de aluminio. |
Es resistente a algunas sales fundidas. |
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Es un aislante eléctrico. |
Se forma por electronegatividad, derivada de la combinación de átomos de aluminio y nitrógeno. |
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El nitruro de aluminio tiene una conductividad térmica muy alta. |
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Usos del nitruro de aluminio como cerámica semiconductora:
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Se utiliza como disipador de calor para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
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La sustancia se utiliza para aplicaciones eléctricas en situaciones donde la temperatura alta y la disipación del calor se consideran un desafío.
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Se combina en la producción de plásticos y materiales de resina.
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Se utiliza en la producción de embalajes para equipos eléctricos.
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El nitruro de aluminio también se utiliza para producir un material delgado conocido como filtro de RF, utilizado en teléfonos móviles como resonador acústico.
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Se utiliza en la fabricación de micrófonos.
El carburo de silicio como cerámica semiconductora
El carburo de silicio es una cerámica semiconductora, también conocida como carborundo. Se encuentra en estado natural en un mineral raro llamado moissanita. Pruebas realizadas en muestras de carburo de silicio mostraron la presencia de isótopos de silicio y carbono. Estos elementos también se encuentran en el polvo estelar, cuyo origen se encuentra en el espacio.
Otras fuentes de carburo de silicio: El carburo de silicio también se puede producir en masa en forma cristalina y pulverulenta. Existen dos métodos para producir carburo de silicio sintético: el método Lely y la deposición química de vapor. Ambos métodos requieren equipo especializado y un alto grado de experiencia.
Propiedades del carburo de silicio como cerámica semiconductora
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Propiedades físicas |
Propiedades químicas |
Propiedades mecánicas |
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Es una sustancia de color oscuro e inodoro. |
No se puede disolver en agua, pero sí en hierro fundido. |
Es una sustancia muy dura. |
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Es un buen conductor de calor y electricidad. |
Puede resistir ácidos y alcalinos, pero no puede resistir reacciones con fluoruros ácidos y ácido fluorhídrico. |
Tiene un amplio ancho de banda y propiedades magnéticas que mejoran su función como cerámica semiconductora. |
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Es químicamente inerte. |
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Usos del carburo de silicio como cerámica semiconductora:
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El carburo de silicio se utiliza en la producción de materiales resistentes y duros como chalecos antibalas.
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Se utiliza en la fabricación de joyas.
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Formulación de abrasivos.
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Construcción de embragues y frenos de automóviles.
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Se utiliza en procesos fotocatalíticos así como en la producción de transistores de emisión de campo.
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Producción de máquinas y equipos de ahorro energético.
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Montaje de sistemas de energía solar y vehículos eléctricos, por su capacidad de soportar altos voltajes eléctricos.
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Se considera un buen sustituto de los materiales de combustión con alto contenido de carbono en los procesos de producción, para proteger el medio ambiente.
Conclusión:
Las cerámicas semiconductoras se distinguen por su resistencia a altas temperaturas, su dureza y su buena conducción eléctrica. Estas características también incluyen su resistencia a la corrosión, el desgaste, las características de enlace iónico, el color y la forma. Estas características distintivas también determinan su idoneidad para su aplicación.