Método de caracterización de materiales semiconductores

Saludos cordiales..

Antes de comenzar debemos conocer lo siguiente:

La caracterización de materiales es una disciplina de la Ciencia de los Materiales que permite estudiar, clasificar y analizar sus propiedades físicas, mecánicas, ópticas, químicas, térmicas y magnéticas. Es decir, la caracterización de materiales sirve para obtener distintos parámetros que sirven para distintas aplicaciones.

¡Muchísimos métodos para caracterizar materiales, todos con un fin exacto! En esta oportunidad les voy a mostrar un método sencillo en la caracterización eléctrica de materiales, en este caso para los compuestos semiconductores, por medio del cual podemos obtener la resistividad eléctrica.

En primera instancia debemos saber que la conductividad eléctrica (σ) no es más que la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se le aplica una diferencia de potencial, es decir, una tensión. Es sin duda una de las propiedades físicas más importantes de un semiconductor o un sólido. En una muestra de un semiconductor totalmente homogéneo, esto depende de la concentración y movilidad de los portadores de carga.

Existen diferentes tipos de técnicas para caracterizar compuestos semiconductores, uno de los métodos más importantes es la resistividad eléctrica, ya que nos proporciona información esencial sobre la energía de activación y la concentración de los principales portadores de carga (electrones, tipo n, huecos, tipo p).

Algunos de los experimentos que nos proporcionan información sobre la energía de activación y la concentración de los principales portadores de carga (electrones, tipo n, huecos, tipo p) son la medida de la resistividad eléctrica y el efecto de Hall en función de la temperatura. En dichos métodos experimentales, qué es la corriente eléctrica circulada (I) por una barra semiconductora a la que se hacen contactos eléctricos, como se muestra en la siguiente figura. Cabe señalar que esta vez nos centraremos en hablar sobre el método de 4 puntos, más adelante aprenderemos sobre el método de contacto o de 6 puntos que se usa para medir el efecto Hall.

^{Figura 2. Esquema experimental del método de barras o 4 puntas}

¿Qué es la resistividad eléctrica?

Es responsable de cuantificar la fuerza con la que un material dado se opone al flujo de corriente eléctrica. Una baja resistividad indica un material que permite fácilmente el movimiento de la carga eléctrica. Los metales de baja resistencia, por ejemplo: el cobre, requiere más corrientes para producir la misma cantidad de calor. Los materiales de baja resistencia también exhiben una baja resistencia constante.

Las medidas de resistividad eléctrica es la más fundamental de las mediciones de rutinas que se realizan en cristales semiconductores. Básicamente, cualquier tipo de medición se realiza pasando a través de la muestra una cantidad conocida de corriente con una precisión exacta, y midiendo la caída de voltaje entre dos puntos separados por una distancia conocida.

Debemos destacar que la resistividad eléctrica de un material se utiliza en su totalidad para el control de calidad de diversos productos fabricados con materiales semiconductores. En principio, se aplicaron a 2 de los principales semiconductores conocidos, que fueron los precursores de una amplia gama de nuevos materiales como el silicio y el germanio, debido a los grandes resultados mostrados por estos dos materiales, se decidió experimentar con otros y el Resultados Fueron excelentes, y gracias a eso, hoy han sido una parte fundamental de los avances tecnológicos en el área de materiales.

Método de barra o de 4 puntas

En primer lugar, debemos obtener un lingote semiconductor mediante una síntesis de crecimiento, y luego prepararlo para que tenga una forma paralelepípedo como podemos observar en la figura número 2.

^{Figura 2. Diagrama de un paralelepípedo}

Al obtener el lingote semiconductor en forma de paralelepípedo, se debe buscar una baquelita y montar la muestra semiconductora en él (figura 3). Como sabemos, la baquelita es un plástico aislante que soporta altas temperaturas, el propósito de colocar el material semiconductor sobre este plástico especial, es que al realizar mediciones a altas temperaturas, el material no se desintegra y mantenga el semiconductor intacto y sin deformaciones.

^{Figura 3. Diagrama de un semiconductor preparado en forma de paralelepípedo, luego colocado sobre una baquelita}

Debemos tener en cuenta un aspecto muy importante y es que la muestra debe estar totalmente limpia y libre de agentes corrosivos, es decir, debemos pulir la superficie de la muestra hasta que aparezca un tono brillante, el objetivo de este proceso, es que al momento de realizar las mediciones no presentamos errores significativos debido a la suciedad o deformidad en la muestra o cualquier otro tipo de impureza.

El siguiente paso en la preparación del método de barra es soldar 4 cables de cobre en la superficie de la muestra, específicamente en sus lados (derecho, izquierdo, superior e inferior) como se muestra en la figura 4.

¿Cuál es la finalidad de esto?

La respuesta es simple: todos sabemos la capacidad de conducir la corriente que tiene un elemento como el cobre, pero la mejor característica de este material es la fácil adhesión que tiene a diferentes materiales semiconductores, ya sea puro o compuesto de varios elementos. Un alambre de cobre casi imperceptible muy delgado es el correcto para soldar a la muestra semiconductora. Se deben utilizar pequeños trozos de indio, que sería el material que hará la unión (cobre-semiconductor), que luego con un cautín a una temperatura adecuada que alcance el punto de fusión del indio para que se funda, se adhiere a la muestra (figura 4).

^{Figura 4. Diagrama de un semiconductor preparado en forma de paralelepípedo sobre la baquelita con los cables de cobre adheridos a la muestra mediante soldadura de indio}

Posteriormente a la baquelita se deben conectar otros cables de cobre de mayor espesor. A través de estos cables se conectan los respectivos cables de corriente y el voltaje que envía la señal al equipo que registra los datos de medición (figura 5). La baquelita se utiliza como aislante y como una guía para trabajar cómodamente y obtener mediciones precisas.

^{Figura 5. Diagrama de un semiconductor preparado en forma de paralelepípedo sobre la baquelita con los cables de cobre adheridos a la muestra mediante soldadura de indio y a su vez los cables de cobre de mayor grosor por donde circula el voltaje y la corriente.
Figura 6. Ensamblaje real de la muestra semiconductora para las mediciones de resistividad eléctrica y efecto hall al final de la barra o método de 4 puntas}

Es importante tener en cuenta que la muestra del material semiconductor que se va a caracterizar mediante este método experimental debe tener ciertas consideraciones con respecto a su tamaño, por ejemplo, el material que se muestra en la foto tiene un diámetro de 1,5 cm de longitud, 0,75. cm de ancho y 0.20cm de alto. Esto también trae ciertas limitaciones en el momento del ensamblaje, ya que es bastante difícil trabajar con muestras de este tamaño, es recomendable trabajar con un microscopio para poder observar en detalle al hacer contactos en la muestra.

Próximamente estaré compartiendo la segunda parte de este contenido!

Bibliográficas consultadas

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