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.
Comentario de @iamphysical
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.
Comentario de @iamphysical
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.
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Thanks for having used the stem.openhive.network app and included @steemstem in the list of beneficiaries of this post. This granted you a stronger support.
Gracias al equipo de curación del HiveSTEM por el apoyo.
I hope if the post was in English. I was an electronics engineer in the past. Suddenly, my curiosity level increased because of this post.
Thanks for your comment friend @dexterdev
Take your suggestion into account and I hope to write these topics in English in the medium term.
The point was that we set out to write in Spanish to encourage our scientists to publish in stem-Spanish and I feel that it is my moral duty to continue in this sense, but I will dedicate myself to compiling and translating some of my publications.
Best regards
Thank you. :)
Buenas @iamphysical siempre he pensado que una de las ventajas del silicio ante otros materiales es su abundancia y un largo tiempo de uso en fabricación de componentes, lo que ha permitido crear procesos de fabricación eficientes y depurados, su abundancia y uso eficiente ha ayudado a una producción con costes mejorados, en mi caso llevo mucho tiempo viendo como se habla del grafeno para la producción de procesadores y siempre llego al mismo punto, existirá una fuente de grafeno lo suficientemente grande como para sustituir el silicio en la producción de componentes, no por su eficiencia si no por su abundancia.
En cuanto a los Cd´s siempre he pensado que debería venir con una advertencia de vida útil, muchos pensaran que al ser de años no es importante pero la realidad es que si se degradan yo he visto como con los años algunos de los que tenia guardados en caja la sacarlos se habían dañados, siendo que ha sido común pedirlos para crear bibliotecas de tesis, estudios y otros en bibliotecas es bueno tener en cuenta que debe existir un tiempo de recambio para su reemplazo aun sin uso y guardado en ciertas condiciones.
Saludos
El grafeno o el óxido de grafeno reducido son materiales que prometen aumentar la eficiencia de supercapacitores o procesadores de alta velocidad, pero mientras se consiga producir en grandes cantidades nos veremos limitados a seguir buscando alternativas en Nuevos Materiales.
En el caso del Disco Compacto, es cierto que su degeneración en inminente al cabo de 3 años o menos según las condiciones ambientales del lugar de almacenamiento, sólo debemos ser precavidos y hacer respaldo en otros medios de resguardo.
Es fascinante lo que se puede lograr hacer con este tipo de materiales y la manera como usted muestra es genial..
Gracias por sus valisos aportes en el área Dr Giovanni... Saludos!
La cadena de transmisión de conocimientos dentro de la universidad se ha perdido por la situación que se vive en Venezuela, donde la principal función de nosotros como Tutores y los estudiantes de Ciencias Básicas era precisamente que descubrieran lo fascinante de hacer investigación en Nuevos Materiales.
Espero que HiveSTEM sea la herramienta de enlace entre los investigadores activos y las personas que desean adquirir y compartir esos conocimientos.