Semiconductores y estímulos físicos
Luz, Temperatura y Electricidad sobre semiconductoresGiovanni Marín
Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol
Ya tengo unos 26 años desarrollando el estudio de los materiales semiconductores y desde hace 10 años trabajo en su aplicación tecnológica para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos, es algo así como etapas de la vida o pasos de una receta para preparar una hallaca venezolana. Primero transitamos una etapa de estudio y luego un período de aplicaciones, por lo que ahora creo que soy capaz de dar un paso más hacia adelante al tratar a un semiconductor como un ente capaz de responder a estímulos de agentes físicos como la luz, el calor, el voltaje o el magnetismo.
En un gran porcentaje de mis publicaciones científicas utilizo palabras que en principio corresponderían a reacciones humanas, tales como: crecimiento de lingotes, la brecha de energía depende de la temperatura, un semiconductor a bajas temperaturas se comporta como un aislante, manteniendo así una relación muy estrecha con este tipo de materiales.
Caracterización de semiconductores. | @iamphysical
La etapa siguiente a la síntesis o crecimiento de este tipo de compuestos es la de caracterización de materiales, siendo el interés principal estudiar y analizar el comportamiento de los semiconductores cuando sobre ellos se les aplica un voltaje o una corriente eléctrica, o estén sometidos a la influencia de un campo eléctrico o magnético, o cuando se hace incidir un haz de luz en un amplio rango de longitudes de ondas, así como su respuesta a las variaciones de temperatura. Lo que quiero decir con esto, es que, a mi manera de ver, el semiconductor se comporta como un ENTE: cosa o ser que tiene existencia real, como un lingote, una oblea o una película delgada y durante la etapa de caracterización sería necesario relacionar su reacción ante cualquiera de los estímulos físicos mencionados antes y que son aplicados por otro ente conocido como "Investigador Científico". En las siguientes secciones trataré de establecer la similitud de la reacción de un semiconductor con referencia al comportamiento humano.
Luz y temperatura sobre un semiconductor
Este tipo de caracterización óptica es muy compleja, ya que la incidencia de un haz de luz con diferentes longitudes de onda puede dar origen a una variedad de fenómenos físicos: fotoluminiscencia, fotoconductividad, absorción óptica y hasta el efecto fotovoltaico en el que se basan las celdas solares. Veamos algunos ejemplos de estos fenómenos.
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Cuando sobre una persona inciden los rayos de luz solar, tiende a reaccionar protegiendo sus ojos con unas gafas oscuras y si va a la montaña a esquiar se colocaría un abrigo que le aísle de las bajas temperaturas. Cuando en un semiconductor hacemos incidir luz, se originan pares de electrón-hueco y se desencadena una serie de mecanismos de conducción eléctrica debido a la absorción de los fotones de la radiación incidente, como en el caso de la absorción óptica. Si la temperatura aumenta, el semiconductor se dilata térmicamente y su brecha de energía disminuye reaccionando como un estímulo a los cambios de temperatura.
En el estudio de la respuesta espectral por fotoluminiscencia, la muestra es excitada con la luz de un láser que tiene una energía de hνexc = 1,5890 eV y se coloca dentro de un contenedor criogénico para variar la temperatura.
En este otro ejemplo, los espectros Raman del semiconductor CuInTe2 se registraron utilizando un espectrómetro XY Dilor equipado con un monocromador doble y un sistema de detección multicanal. La línea del láser de argón a 488 nm se utilizó como fuente de irradiación de luz con una potencia entre 2 y 10 mW.
La línea más intensa que se observa en el espectro Raman corresponde al modo A1, generalmente se observa en las calcopiritas de cobre. Este modo se origina en el movimiento del átomo de Te mientras los átomos de Cu e In permanecen en reposo. Basándonos en la aproximación teórica que las frecuencias de vibración en las calcopiritas dependen principalmente de las fuerzas de enlace entre los átomos vecinos más cercanos y considerando la masa del Te se ha calculado νA1 = 124 cm-1, que se corresponde muy bien con el pico observado en 125-127 cm-1. Evidentemente existe un efecto del cambio de la temperatura sobre las intensidad y desplazamiento Raman.
Por supuesto que en estos ejemplos no puede faltar el clásico cambio del coeficiente de absorción óptica con la energía de los fotones incidentes, donde la luz monocromática va aumentando la energía hasta que comienza la absorción de los fotones con la suficiente energía para saltar desde la banda de valencia (BV) hacia la banda de conducción (BC) debido a ese incremento del nivel energético, aquí es importante recordar que ocurre la interacción del par electrón(BC)-hueco(BV).
El cambio de temperatura vuelve a "provocar" una "respuesta del semiconductor", en este caso la disminución de la temperatura produce una contracción térmica que tiene como resultado un incremento en el valor de la brecha de energía (EG) del semiconductor. En la siguiente figura vemos la variación de EG en el rango de temperatura entre 10 K y 300 K.
¿Qué les ha parecido mi punto de vista en cuanto a considerar a un material semiconductor en una especie de "cosa" que responde al haz de luz incidente sobre él o al cambio de temperatura de su entorno?
Este es sólo un ejercicio de la imaginación, ya que las soluciones químicas también presentan cambios evidentes ante este tipo de variables y son sólo consideradas como unas reacciones químicas.
Temperatura sobre un semiconductor
Normalmente cuando se desea establecer las transiciones térmicas de un material semiconductor recurrimos a una técnica conocida como Análisis Térmico Diferencial, donde se utiliza un horno para el calentamiento de la muestra y una termocupla diferencial en contacto con una pequeña cápsula de cuarzo que contiene a la muestra en estudio y con otra cápsula que tiene un elemento químico de referencia (Ag).
El proceso es sencillo, a medida que aumenta la temperatura del horno se llega al punto donde existe una conservación de la energía durante la transición térmica del semiconductor respecto al elemento químico que se usa como patrón, la cual se observa como un pico en el termograma. La parte de abajo corresponde al calentamiento y la de arriba al enfriamiento, destacando el punto de fusión del material desde 820 ºC hasta 880 ºC cuando se funde todo el material. En otros materiales semiconductores es posible observar una transición de fase cristalina en el estado sólido antes de llegar al punto de fusión del material, por supuesto!
Finalmente, para determinar el tipo de conductividad eléctrica de un semiconductor también debemos estimular térmicamente a la muestra y "medir" la respuesta mediante la diferencia de potencial (voltaje) usando un voltímetro. Sucede que el calentamiento local, usando un cautín, va a provocar el movimiento de electrones y huecos hacia los extremos caliente (cautín) y frío (base metálica) y según el tipo de portadores mayoritarios presentes en el semiconductor la lectura en el voltímetro será positiva para un semiconductor tipo "p" y será negativa en el caso de un semiconductor tipo "n", recuerden que estamos hablando del tipo de conductividad eléctrica.
Este tipo de respuesta eléctrica (voltaje) ante un estímulo externo (temperatura) es muy importante cuando se desea utilizar al semiconductor como un dispositivo termoeléctrico. En este caso se observa que hay un incremento de 50 mV cuando se aumenta la temperatura desde 25 ºC hasta 50 ºC, pero todavía es necesario determinar su conductividad térmica, el coeficiente Seebeck y la resistividad eléctrica del material para establecer su eficiencia de conversión de energía térmica en energía eléctrica, así que nuestro semiconductor seguirá en la sala de operaciones llamada Laboratorio de Caracterización de Materiales.
Aportes de esta publicación.
El estudio de los materiales semiconductores cubre un amplio espectro de la investigación científica al aplicar varias técnicas y métodos de análisis, sin olvidar el uso de los equipos: microscopio electrónico de barrido, análisis térmico diferencial, análisis termogravimétrico, espectrofotómetros, elipsómetro, difractómetro de rayos X y paremos de contar. La mayoría de los cuales envía un estímulo de algún agente físico sobre la muestra semiconductora y su respuesta es captada por sensores adaptados a cada equipo de medición.
Una persona cuando siente frío se abriga y cuando recibe una pequeña descarga eléctrica también reacciona dando un salto, alejándose y agitando las manos, ¿qué sucederá si hacemos pasar una corriente eléctrica a través de un semiconductor?
Bibliografía y lecturas recomendadas:
○ Técnica Fotoluminiscencia
○ Raman Spectroscopy
○ Microscopía Electrónica.
○ Características del SEM.
○ Equipo para Análisis Térmico Diferencial
○ Información sobre Análisis Térmico
○ L. Shay and J. H. Wernick. Ternary chalcopyrite semiconductors: growth, electronic properties and applications. Pergamon Press, New York, (1975).
○ A. Manoogian and J. C. Woolley, Can. J. Phys. (1984) 62, 285.
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