Arseniuro de galio
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Arseniuro de galio. (GaAs). Es un compuesto de galio y arsénico. Es un importante semiconductor y se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltáicas.
Sumario
Galio
Elemento químico, símbolo Ga, número atómico 31 y peso atómico 69.72. lo descubrió Lecoq de Boisbaudran en Francia en 1875. Tiene un gran intervalo de temperatura en el estado líquido, y se ha recomendado su uso en termómetros de alta temperatura y manómetros. En aleación con plata y estañó, el galio suple en forma adecuada la amalgama en curaciones dentales; también sirve para soldar materiales no metálicos. El arseniuro de galio puede utilizarse en sistemas para transformar movimiento mecánico en impulsos eléctricos. Los artículos sintéticos superconductores pueden prepararse por la fabricación de matrices porosas de vanadio o tántalo impregnados con hidruro de galio.
El galio ha dado excelentes resultados como semiconductor para uso en rectificadores, transistores, fotoconductores, fuentes de luz, diodos láser o máser y aparatos de refrigeración.
El galio sólido parece gris azulado cuando se expone a la atmósfera. El galio líquido es blanco plateado, con una superficie reflejante brillante. Su punto de congelación es más bajo que el de cualquier metal con excepción del mercurio (-39ºC o -38ºF) y el cesio (28.5ºC u 83.3ºF).
El galio es semejante químicamente al aluminio. Es anfótero, pero poco más ácido que el aluminio. La valencia normal del galio es 3+ y forma hidróxidos, óxidos y sales. El galio funde al contacto con el aire cuando se calienta a 500ºC (930ºF). Reacciona vigorosamente con agua hirviendo, pero ligeramente con agua a temperatura ambiente. Las sales de galio son incoloras; se preparan de manera directa a partir del metal, dado que la purificación de éste es más simple que la de sus sales.
El galio forma aleaciones eutécticas de bajo punto de fusión con varios metales, y compuestos ínter metálicos con muchos otros. Todo el aluminio contiene cantidades pequeñas de galio, como impureza inofensiva, pero la penetración ínter granular de grandes cantidades a 30ºC causa fallas catastróficas.
GaAs vs. Si y Ge
Las propiedades físicas y químicas del GaAs complican su uso en la fabricación de transistores al ser un compuesto binario con una conductividad térmica menor y un mayor coeficiente de expansión térmica (CET o CTE), mientras que el silicio y el germanio son semiconductores elementales. Además, los fallos en dispositivos basados en GaAs son más difíciles de entender que aquellos en el silicio y pueden resultar más caros, al ser su uso mucho más reciente. Pero comparando la relación calidad y precio, el valor añadido del GaAs compensa los costos de fabricación, además de que los mercados indicados están en continuo crecimiento, que demandan esta tecnología que permita mayores frecuencias, lo que ayudará a abaratar costos.
El arseniuro de galio se ha incorporando a los mercados comerciales desde que su tecnología se inició para el campo militar y aeroespacial.
Pertenece a los materiales semiconductores del grupo de elementos AIII-BV de la tabla periódica. La anchura de la banda prohibida es mayor que en el silicio o el germanio. La movilidad de los electrones es también mayor que en el silicio o el germanio, y la de los huecos es similar a los del silicio.
Para impurificarlo tipo p se utilizan materiales como el zinc, el cadmio o el cobre ya que introducen niveles permitidos en el intervalo de 0.08 a 0.37 eV por encima de la banda de valencia del GaAs. Son materiales donadores el azufre, el selenio y los elementos del grupo IV de la tabla periódica, en pequeña concentración, si sustituyen átomos de galio.
El GaAs se utiliza para células fotoeléctricas, diodos de efecto túnel, láser, semiconductores y transistores MESFET.
El GaAs tiene varias topologías de circuitos y tipos de dispositivos. La más dominante y disponible comercialmente es la lógica FET acoplada directamente DCFL (Direct Coupled FET Logic), aunque también se dispone de la lógica BFL (Buffered FET Logic) y la lógica SDFL (Schottky Diode FET Logic).
GaAs en tecnologías de altas frecuencias
La masa efectiva de la carga eléctrica del GaAs tipo N dopado es menor que en el silicio del mismo tipo, por lo que los electrones en GaAs se aceleran a mayores velocidades, tardando menos en cruzar el canal del transistor. Esto es muy útil en altas frecuencias, ya que se alcanzará una frecuencia máxima de operación mayor.
Esta posibilidad y necesidad de trabajar con circuitos que permitan actuar a mayores frecuencias tiene su origen en las industrias de defensa y espacial, en el uso de radares, comunicaciones seguras y sensores. Tras el desarrollo por parte de programas federales, pronto el GaAs se extendió a los nuevos mercados comerciales, como redes de área local inalámbricas (WLAN), sistemas de comunicación personal (PCS), transmisión en directo por satélite (DBS), transmisión y recepción por el consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y comunicaciones móviles. Todos estos mercados requerían trabajar a frecuencias altas y poco ocupadas que no podían alcanzarse con silicio ni germanio.
Además, esto ha afectado a la filosofía de fabricación de semiconductores, empleándose ahora métodos estadísticos para controlar la uniformidad y asegurar la mejor calidad posible sin afectar gravemente al coste. Todo esto posibilitó también la creación de nuevas técnicas de transmisión digital a mayor potencia de radiofrecuencia y amplificadores de baja tensión/bajo voltaje para maximizar el tiempo de operación y de espera en dispositivos alimentados por baterías.
Ventajas
- La ventaja del arseniuro de galio sobre el silicio de grado solar es que ofrece casi el doble de eficiencia. La gran desventaja, que explica su poca utilización, es el precio. Para resolver esta disyuntiva, ingenieros e investigadores de la Universidad de Illinois dicen haber conseguido nuevos métodos de fabricación de películas delgadas de arseniuro de galio de bajo costo, lo que permitiría crear dispositivos que reemplazarían al silicio aumentando la eficiencia de las células fotovoltaicas.
- Otro de los logros anunciados hace referencia al aumento de la eficiencia. Habitualmente el arseniuro de galio se deposita en una única capa delgada sobre una pequeña lámina, en la Universidad de Illinois se han depositado múltiples capas de material sobre las obleas, obteniendo un mayor rendimiento. Las capas múltiples eliminan las limitaciones en cuanto al área de trabajo, algo muy importante en el caso de las células solares, que requieren una zona de cobertura amplia para capturar tanta luz como sea posible. Así, aseguran sus creadores, se consigue una mayor área de cobertura, generar más energía y menor costo.
- El uso del arseniuro en células solares no es nuevo. Aquí en España también se utiliza ya desde hace años en El Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid, en las células multiunión desarrollas por Antonio Luque.
Desventajas
- Los dispositivos fabricados con GaAs pueden trabajar a temperaturas de hasta 450ºC. Pero a pesar de estas ventajas, su tecnología plantea algunas dificultades, comparada con la del silicio. Por ejemplo, a diferencia del silicio, no existe un óxido natural que actúe como máscara para producir elementos simples del estilo de la lógica MOS.
Efectos del Galio sobre la salud
El galio es un elemento que se encuentra en el cuerpo, pero en cantidades muy pequeñas. Por ejemplo, en una persona con una masa de 70 kilos, hay 0,7 miligramos de galio en su cuerpo. Si esta cantidad de galio estuviera condensada en un cubo, el cubo solo mediría 0,49 milímetros de lado. No tiene beneficios probados en las funciones corporales, y lo más probable es que solo esté presente debido a las pequeñas cantidades en el ambiente natural, en el agua, y en los residuos en los vegetales o frutas. Se sabe que algunas vitaminas y aguas de distribución comercial contienen cantidades traza de galio de menos de una parte por millón.
El galio puro no es una sustancia peligrosa por contacto para los humanos. Ha sido manipulada muchas veces solo por el simple placer de observar como se derrite por el calor emitido por una mano humana. Sin embargo, deja manchas en las manos. Incluso el componente radioactivo del galio, citrato de galio (67Ga), puede ser inyectado en el cuerpo y usado para escáneres con galio sin efectos perjudiciales. Aunque no es peligroso en pequeñas cantidades, el galio no debe ser consumido a propósito en grandes dosis. Algunos compuestos del galio pueden ser de hecho muy peligrosos, sin embargo, altas exposiciones al cloruro de galio (III) pueden causar irritación de la garganta, dificultades de respiración, dolores pectorales, y sus vapores pueden provocar afecciones muy graves como edema pulmonar y parálisis parcial.
Efectos ambientales del Galio
Una controversia con el galio involucra las armas nucleares y la polución. El galio es usado para unir las minas entre sí. Sin embargo, cuando las minas se cortan y se forma polvo de óxido de plutonio, el galio permanece en el plutonio. El plutonio se ve inutilizado para su uso como combustible porque el galio es corrosivo para varios otros elementos. Si el galio es eliminado, el plutonio se vuelve útil de nuevo. El problema es que el proceso para eliminar el galio contribuye a una gran cantidad de polución en el agua con sustancias radiactivas. El galio es un elemento ideal para ser usado en minas, pero la polución es destructiva para La Tierra y para la salud de sus habitantes. Incluso haciéndose esfuerzos para eliminar la polución del agua, esto incrementaría significativamente los costes de procedimiento de la conversión de plutonio en un combustible (en alrededor de 200 millones de dólares). Los científicos están trabajando en otro método para limpiar el plutonio, pero pueden pasar años hasta que sea completado.
