Los materiales semiconductores han presentado un avance importante en varias empresas, de tal manera que hoy forman parte de varios chips usados para diferentes objetivos de la industria. Así, componentes como diodos, circuitos integrados o especializados, transistores y microcontroladores, todos formados por semiconductores, son de gran ayuda en diversos ámbitos, desde la gestión de energías renovables hasta el desarrollo de nuevas tecnologías.

Generación y distribución de energía renovable

El sol emite una radiación aproximada de , lo cual equivale al consumo anual de todo el mundo; esta es energía limpia, pero solo el 16% del consumo eléctrico proviene de una fuente renovable (eólica, solar, hidroeléctrica y geotérmica). El empleo de estas tecnologías requiere elementos de almacenamiento (baterías), una situación que ha limitado su uso; dichas estructuras son necesarias para determinados momentos, como los de nula radiación solar (noche y días nublados) o cero vientos (Canal F. de Ingenieria, 2023). La radiación solar presenta otro problema, ya que su eficiencia de captación oscila entre un 14 y 20%; de igual manera, otro inconveniente radica en su costo de inicio, pues su principal material de construcción es el silicio, de ahí que el 95% de la generación de paneles dependa de dicha sustancia. Actualmente, se estudia un material integrado por elementos sintéticos, llamado perovskitas; al combinarse con semiconductores, este compuesto capta el espectro lumínico y lo convierte en energía, logrando obtener una eficiencia del 30%. No obstante, sus principales desventajas son que resulta frágil y tóxico.

Otra tecnología son las celdas orgánicas, compuestas por polímeros y semiconductores impresos en láminas de plástico, cuya eficiencia no suele disminuir en interiores; de hecho, se usan para alimentar baterías pequeñas y, al emplearse en dispositivos móviles, tienen una eficiencia del 10% con una durabilidad de 20 años.

Figura 1. Fuentes de energía renovables.

Tecnología médica avanzada (Bio-MEMS, sensores y ciencia de datos)

Los semiconductores son tan importantes porque logran ser conductores y aislantes; por esta razón, tanto el silicio como el germanio son los principales materiales en esta categoría. Los enlaces de silicio forman un enlace covalente, así que se presenta como un aislante; no obstante, se les puede agregar una impureza, ya sea de electrones o huecos, al incorporar otro semiconductor. De esta manera, se provoca que los materiales funcionen como aislantes o conductores, dependiendo de su polarización; esta peculiaridad facilita la construcción de dispositivos pequeños usados en varios ámbitos, principalmente en la medicina, ciencia de datos y en sistemas microelectro-mecánico-bioquímicos (Bio–MEMS, por sus siglas en inglés), un área desarrollada en la actualidad con varias aplicaciones en la medicina. La MST (Microsystem Technology) es una tecnología de proceso utilizada para crear estos pequeños sistemas que, como resultado, originan los MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems); en este sentido, los tamaños de los Bio-MEMS pueden ir desde 1µm hasta 1mm, es decir, las dimensiones de una célula.

Para su elaboración, se usan obleas de silicio, ya que se aprovechan las bondades de este material en el ámbito electrónico, además de que se trata del elemento más abundante en la corteza terrestre, después del oxígeno. Los Bio-MEMS ayudan al estudio y diseño de microcanales para fluidos, como la sangre; de igual forma, se usan para implantes cocleares, de logoftalmos, de marcapasos, o bien, en instrumentos quirúrgicos y equipos de medición, pues logran mandar señales a alguna aplicación para su registro y seguimiento (Pilloni, s.f.). Los Bio-MEMS también se incorporan en varias aplicaciones por su utilidad, propiedades optomecánicas y tamaño del dispositivo; por ejemplo, se emplean en consolas de videojuegos, en el sector automovilístico (bolsas de aire) o en comunicaciones inalámbricas.

Inteligencia artificial

La inteligencia artificial requiere mucho espacio de almacenamiento para entrenar las redes neuronales, así como una velocidad muy alta; esto se logra con aceleradores de semiconductores para el procesamiento de datos en paralelo, el machine learning y el deep learning, ya que suponen el espacio donde sucede el entrenamiento de las redes neuronales. Estos aspectos definen la inteligencia artificial como la capacidad de la máquina para realizar actividades cognitivas típicas de los humanos, es decir, puede aprender a través de la experiencia, lo cual se consigue mediante algoritmos que proporcionan un aprendizaje profundo, en cuanto emulan el cerebro humano. En este sentido, gracias a las bases de datos, la máquina obtiene ejemplos y selecciona las respuestas correctas; este proceso conlleva redes neuronales a gran escala, disminuye la intervención humana y busca que el sistema logre crear un significado por sí mismo.

No obstante, el procesamiento y memoria usados por la máquina poseen un gran inconveniente en el hardware, el cual se combate con la generación de chips con semiconductores que ayudan a generar y procesar una enorme cantidad de información; estos grandes volúmenes se generan con la intención de mejorar el diseño de nodos y de los aceleradores de la red. Los chips semiconductores más requeridos son los ASIC (circuito integrado de aplicación específica), ya que están diseñados para realizar operaciones informáticas que ayudan a entrenar los algoritmos de la IA y, además, manejan la carga en paralelo; asimismo, como menciona DJ Mines (2023), suelen emplearse los GPU (unidad de procesamiento gráfico) o los FPGA (matriz de puertas lógicas programable en campo).

Robótica y automatización

El mundo de la robótica y automatización cambió drásticamente, gracias a los avances de la electrónica de potencia alcanzados con los semiconductores; estos materiales permiten que los procesadores se conviertan en microprocesadores, es decir, donde se guarda el código de secuencia de producción. Asimismo, los semiconductores también se emplean en la parte de control de motores y, de hecho, representan una parte fundamental de los variadores, arrancadores e inversores.

Figura 2. Robots en línea de ensamble.

Vehículos autónomos

No cabe duda de que hay un rápido procesamiento de datos y manejo de información aplicada en el sector automotriz; por ejemplo, desde los años 40, se han realizado estudios para lograr construir un vehículo autónomo. Cuatro décadas más tarde, es decir, en los 80, algunos ya eran capaces de evitar obstáculos vía radar; sin embargo, el avance de los últimos años ha sido impresionante debido, en gran parte, al desarrollo de los semiconductores. Estos dispositivos ayudan a crear redes neuronales lo suficientemente eficaces para imitar las capacidades humanas de manejo, control y decisión, incluso si los peatones no cruzan por el paso peatonal (coches.net, 2023). Las compañías han avanzado mediante la incorporación de semiconductores en diferentes dispositivos del automóvil, sobre todo en los pilotos automáticos del Tesla S o del Mercedes Benz clase E; de hecho, este último fue de los primeros vehículos autónomos, ya que puede realizar cualquier tipo de maniobra por sí mismo.

Actualmente, la mayoría de las compañías ya ha entrado en la fabricación de esta clase de automóviles, los cuales se usan para transporte de personal, como el Waymo One, equipado con cámaras y sensores capaces de brindar información, por ejemplo, de la central del clima y del tráfico; por su parte, el Cruise Origin es otro vehículo diseñado para transporte de personal compartido. El Nuro R2, mientras tanto, cuenta con un sistema de sensores de 360°, usado para el reparto a domicilio y con una capacidad de carga de hasta 190 kg; el Mercede Benz Vision Urbanetic puede usarse para transporte de pasajeros, así como para carga; finalmente, la Toyota e-Palette también se adapta a las necesidades de su propietario. Estos autos son totalmente eléctricos, así que reducen las emisiones y, según Google, resultan más seguros, pues no se distraen ante ningún factor; en este sentido, incluso Google tiene un proyecto de vehículos autónomos, denominado Wymo.

Comunicaciones 5G y sus sucesores

La 5G habilita una red para conectar a todos, pero también implica máquinas que mejoran su eficiencia; por consiguiente, está diseñada para soportar un aumento de 100 veces la capacidad de tráfico. Esta red ayuda a los vehículos autónomos con la transmisión y análisis de datos, lo cual solo es posible gracias a los semiconductores.

El arseniuro de galio (GaAs) es un material compuesto o extrínseco que presenta propiedades ópticas y eléctricas superiores a la de los semiconductores intrínsecos; por este motivo, se usa especialmente en radiofrecuencia con señales de alta ganancia y baja frecuencia. Asimismo, otra aleación usada en circuitos integrados de alta velocidad para radares es el de germanio y silicio (SiGe). En este sentido, un factor para tomar en cuenta es que la transmisión no alcanza las mismas distancias, ya que las señales que viajan en el espectro de banda alta no pueden recorrer grandes extensiones y, por ende, llegan a tener dificultades para traspasar paredes, así que resulta necesario implementar infraestructuras y distribución de antenas.

Aplicaciones espaciales

Al igual que las innovaciones recientes en vehículos autónomos, también se está trabajando en misiones espaciales de esas mismas características; entre los principales cambios en la NASA, la comunicación láser es uno de los más destacados, ya que se envían más información y datos mediante ILLUMA-T y LCRD, los cuales forman un sistema de comunicación para la próxima misión de la NASA. Así, al complementarse con los sistemas TBIRD y O2O, se busca transmitir imágenes y videos de alta resolución desde la región lunar donde se pose la misión tripulada Artemis II.

Para manejar esta información, es necesario usar chips formados por semiconductores que no solo están en los sistemas de comunicación y en la mayoría de las computadoras que los integran, sino también en las propias aeronaves y en los satélites.

Debido a una creciente demanda, se han abierto nuevas fábricas donde se construyen microchips compuestos por semiconductores y conductores de alta resistencia, ya que se usan cada vez más en la industria automotriz. A finales de marzo del 2022, se inició la construcción de la fábrica Vishay Intertechnology, en el municipio de Gómez Palacio, México, con una inversión de 10,000 millones de dólares; esta planta se encargará de elaborar componentes para la industria automotriz, aeronáutica y de las telecomunicaciones.