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.
-
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.
En nuestra comunidad se promocionan y valoran las publicaciones de alto impacto relacionados con Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas, dale clic a la etiqueta #steemstem, para que te enteres de nuestro trabajo de calidad científica!
Saludos estimado @iamphysical. Excelente trabajo. Muy interesante la analogía que plantea.
Estimado @lorenzor, estoy esperando más de 7 días después de la publicación para responder los comentarios de mis estimados lectores, pero deben saber que estoy atento al recibir su apoyo y cualquier comentario que realizan sobre este artículo.
Hola @iamphysical. Este post mi hizo recordar que en un libro de Fisiología Vegetal leí que los cloroplastos se comportan o actúan como semiconductores. He buscado información sobre los cloroplastos como semiconductores y no he encontrado. Pero según esta información una de las formas que utilizan para transferir la energía luminosa absorbida es que funcionan como semiconductores. O sea, según esto, los cloroplastos pueden tener propiedades parecidas a la los semiconductores. Saludos.
saludos, creo que tiene que ver con la excitación que se da en los fotosistemas de la fase luminosa.
Así es. Es cuando los pigmentos accesorios de un Sistema de Antena capturan energía luminosa y para llevarla hasta el Centro de reacción parece que las moléculas (pigmentos) se comportan como semiconductores por lo tanto el cloroplasto se comporta como un semiconductor. Pero no he encontrado más información al respecto. Saludos @alexaivytorres.
Saludos mi estimado Profesor @josedelacruz
Sería interesante poder complementar la analogía que estoy haciendo y el comportamiento real que puedan tener algunas especies biológicas o parte de su organismo.
This post has been voted on by the SteemSTEM curation team and voting trail in collaboration with @utopian-io.
If you appreciate the work we are doing then consider voting both projects for witness by selecting stem.witness and utopian-io!
For additional information please join us on the SteemSTEM discord and to get to know the rest of the community!
Thank you!
Excelente trabajo el que nos presentas @iamphysical sobre la interacción entre los equipos utilizados para estudiar una muestra semiconductora y la muestra misma. Disfruté su lectura, gracias por compartirlo. Saludos.
Es mi delirio por la Física de los Semiconductores!
Saludos @tsoldovieri
Excelente! años de experiencia y originalidad.. siempre con imágenes adecuadas y una tremenda explicación! Honor!
Muchas gracias por tus palabras de apoyo al trabajo que realizo al compartir algo de los conicmientos adquiridos en estos años de trabajo con materiales. Saludos Doctora @alexaivytorres
Muy buen artículo, Dr. @IAmPhysical. Saludos.
Ciertamente, en algunas cosas cotidianas podemos encontrar ciertas analogías que no son tan descabelladas plantearlas para la meditación. Saludos estimado Mentor @eniolw
Hi @iamphysical!
Your post was upvoted by utopian.io in cooperation with @steemstem - supporting knowledge, innovation and technological advancement on the Steem Blockchain.
Contribute to Open Source with utopian.io
Learn how to contribute on our website and join the new open source economy.
Want to chat? Join the Utopian Community on Discord https://discord.gg/h52nFrV
Thank you for your support!
Buen trabajo @iamphysical. Es interesante el trabajo y la caracterización general que se le hacen a los semiconductores. Debo preguntar para que se estudian los semiconductores a muy bajas Temperaturas cerca del 0 K, 10 K , 20 K, etc. Cuales son aplicaciones de un semiconductor a bajas temperaturas?
La caracterización de materiales semiconductores es el procedimiento clave para ir catalogando su posible aplicación en dispositivos y al estudiar su comportamiento en un amplio rango de temperaturas podría indicarnos si son susceptibles a este parámetro. La principal aplicación está relacionada con sensores térmicos al utilizarlos como una unión p-n o diodo. Saludos @germanmontero