CdS para dispositivos optoelectrónicos
Giovanni Marín, 07 de Abril de 2020
En la industria manufacturera de dispositivos electrónicos sigue prevaleciendo el favoritismo por el Silicio y Germanio debido al gran impacto que tuvo el siglo pasado en la fabricación de transistores, diodos y otros dispositivos electrónicos que fortaleció a la industria de equipos electrónicos. Sin embargo, los avances tecnológicos asociados a unos tiempos de respuesta de picoseguntos requiere la participación de nuevos materiales semiconductores que permitan agilizar todos los procesos industriales, sobre todo en el área de la medicina y biotecnología. En este artículo presentaré algunos resultados de deposición de una capa delgada del semiconductor CdS, que tiene una conductividad eléctrica tipo n, sobre varias muestras volumétricas de semiconductores ternarios tipo p, dando origen a una unión p-n que de por sí ya constituye un dispositivo simple como un diodo.
Esta es la segunda publicación desde la plataforma stem.openhive.network, aportando conocimientos para una comunidad que busca el intercambio científico en una gran variedad de temas y áreas de interés tecnológico y científico. En este artículo destacaré la fabricación de una unión de semiconductores tipo p y tipo n que nos dará origen a un dispositivo básico de un diodo simple.
Deposición de CdS.
Semiconductor tipo p
Normalmente se utiliza el dopado o "impurificación" de los materiales semiconductores agregando una pequeña concentración de un elemento químico con 3 electrones en su última capa (electrones de valencia), resultando una falta de electrones (llamado hueco) para completar los enlaces covalentes que se requieren para cumplir la Regla del Octeto. Aquí es preciso mencionar que en los enlaces de átomos de Silicio - Silicio, se da una preferencia de que los 4 electrones de la última capa del Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 se "enlacen" coordinadamente de forma covalente (2 electrones compartidos), por lo que involucra a 8 electrones para alcanzar un nivel energético estable. En el caso de agregar impurezas de Aluminio dentro de la estructura cristalina del Silicio, se generará un hueco por la falta del octavo electrón, resultando haber un exceso de portadores de cargas positivas, tal como se muestra en la siguiente imagen:
Enlace covalente en semiconductor tipo p.
En los semiconductores binarios (CdTe) y ternarios (CuInTe2) se presentan diversos defectos puntuales que dan origen al tipo de conductividad eléctrica, por ejemplo la vacancia de Cobre (VCu) en el CuInTe2 es el principal causante que este semiconductor sea tipo p.
La importancia de estudiar "Nuevos Materiales Semiconductores" seguirá ocupando un lugar privilegiado en los institutos de investigación y universidades, ya que encontrarán nuevas formas de aplicar los conceptos físicos conocidos en la Física del Estado Sólido, pero sin lugar a duda se originarán nuevas teorías para explicar la Física de la Materia Condensada en semiconductores con pares de defectos donor-aceptor y si queremos profundizar nos meteremos en el mundo desconocido del dopado de materiales.
Semiconductor tipo n
Si al átomo de Silicio: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 se le dopa con impurezas de Fósforo, que es pentavalente P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3, se generará un electrón adicional porque se completan los 4 enlaces covalentes, resultando haber un exceso de portadores de cargas negativas, tal como se muestra en la siguiente imagen:
Enlace covalente en semiconductor tipo n.
Se ha observado que la concentración de los portadores de carga en los semiconductores ternarios (CuInTe2) son mayores que en los compuestos con vacancias ordenadas (CuIn3Te5) y se debe al aniquilamiento de portadores por efecto de apantallamiento. Debemos recordar que en los CVO los pares de defectos donor-aceptor son electricamente neutros y no aportan a la carga total. El origen del tipo de conductividad eléctrica sigue estando asociada a estos defectos puntuales.
En las siguientes fotografías les muestro varios ensayos de deposición:
Sustratos de vidrio con CdS. Original de iamphysical.
El material formado sobre el sustrato de vidrio fue estudiado con difracción de rayos X y transmisión óptica, para establecer las mejores condiciones de deposición y aplicarlas sobre una muestra volumétrica de semiconductor tipo p y formar la heterounión p-n.
Heterounión n-CdS/p-Semiconductor. Original de iamphysical
Dispositivo de unión p-n
Un diodo emisor de luz (LED), un sensor óptico o un sensor de temperatura están fabricados con materiales semiconductores que forman una union p-n, unión metal-semiconductor o en tecnologías más modernas como varias heterouniones de semiconductores p y n intercaladas.
La Física de las uniones.
En esta publicación dejaré planteada la idea general de lo que ocurre a nivel energético en una Unión p-n, ya que con seguridad encontraremos amplia información en la WEB.
Estructura de un diodo de unión p-n.
Original de Enjorque
Creo que debo estructurar el próximo artículo para destacar la importancia de los contactos óhmicos en una unión metal-semiconductor que podemos observar en la imagen anterior, además de la unión p-n y el encapsulado o protección epóxica de estas uniones.
Aportes del artículo
Los procesos de fabricación de un dispositivo electrónico o de manera general, un dispositivo optoelectrónico, puede abarcar tanto procedimientos físicos como químicos, pero usando conocimientos básicos como: unión metal-semiconductor, unión p-n, mecanismos de conducción y recombinación de portadores de cargas. Pienso que ha sido un gran aporte el estudio y análisis de nuevos materiales que pueden diversificar la materia prima necesaria para fabricar estos dispositivos con Materiales Semiconductores binarios, ternarios y aleaciones.
Hasta pronto mis estimados amigos de STEM-Espanol y de la comunidad científica STEM.
Información en la web
- Definición de términos, Regla del Octeto.
- Reseña de las celdas solares, Semiconductores p y n.
- Video, Defectos en estructuras cristalinas.
Próxima Publicación.
Técnicas experimentales: Espectrofotómetros
Autor y Redactor
Giovanni de Jesús MARÍN LOBO
Licenciado en Física, con Maestría y Doctorado en Química Aplicada, mención Estudio de Materiales.
Actividades como Investigador Científico en la Física del Estado Sólido y la Materia Condensada, especialmente en el tema de los Semiconductores desde el año 1994.
Profesor Asistente en la Universidad de Los Andes, Investigador Científico en institutos de Investigación Científica y Tecnológica durante los últimos 12 años.
En la actualidad colaboro con el Proyecto steemSTEM en la revisión de las publicaciones escritas en ESPAÑOL sobre los temas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas mediante las curaciones que hacemos en la comunidad STEM- Espanol.
Mi pasión por la investigación me ha llevado a proponer a los materiales semiconductores como un ente capaz de reaccionar ante los estímulos externos de presión, temperatura, corriente, voltaje, iluminación y otros mecanismos que harían saltar a una persona al sentir cualquiera de estos factores de estímulo.