Método de caracterización de materiales semiconductores "3ra parte"

Saludos cordiales...

Antes de comenzar a leer esta publicación es recomendable revisar mis dos entregas anteriores, con la finalidad de hacer un seguimiento del tema y obtener una mejor compresión del mismo.

Método de caracterización de materiales semiconductores "1ra parte"

Método de caracterización de materiales semiconductores "2da parte"

Anteriormente les explicaba sobre la conductividad y resistividad en semiconductores, algunos conceptos fundamentales para comprender el comportamiento de esta propiedad física en dichos materiales.

Recordar 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.

y;

La resistividad eléctrica "ρ" es aquella magnitud física conocida por la dificultad a la que un material específico se opone al flujo de los portadores de carga. También es conocido como uno de los indicadores más sensibles de los cambios en la naturaleza de los enlaces químicos.

También explicaba que de los métodos más importantes 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), es la resistividad eléctrica.

Para poder obtener esta información debemos seguir cierto proceso, en primer lugar, realizar las síntesis de crecimiento del compuesto semiconductor. Luego de obtener el lingote se debe cortar una pequeña porción y prepararla para realizar su respectiva medición. Para medidas de resistividad eléctrica debemos tener una pequeña porción del lingote del semiconductor en forma de paralelepípedo como podemos observar en la figura 1.

^{Figura 1. Diagrama y Ensamblaje real de la muestra semiconductora para las mediciones de resistividad eléctrica y efecto hall al final de la barra o método de 6 puntas.}

Ahora bien, para realizar este experimento debemos tener a disposición los siguientes equipos: Control de temperatura, fuente de poder, Horno, fuente de corriente-voltaje, cables de corriente y software computarizado.

En la siguiente foto se muestra el montaje real experimental que se realiza en nuestro laboratorio, cuya configuración experimental es gracias al Dr. Giovanni Marín @iamphysical. En la foto se pueden observar todos los equipos utilizados en el experimento, se muestran un poco desordenados, no pude tomar una captura mejor, pero a continuación les explicare como funciona paso a paso el sistema de medidas de resistividad eléctrica en función de la temperatura.

^{Montaje experimental real de medidas de resistividad eléctrica en función de a temperatura}

La muestra del compuesto semiconductor totalmente lista para realizar su medida debe introducirse dentro del horno, la función principal de este horno es poder mantener la temperatura en la muestra, es decir que esta no se escape. La muestra como explique en mis dos entregas anteriores debe estar colocada sobre una baquelita, dicha baquelita debe tener 6 alambres de cobre por los cuales circulara la corriente y voltaje hacia la muestra semiconductora por medio de los cables de corriente que viene de sus respectivas fuentes. De una de estas se recogerán los datos de variación del voltaje en función de la corriente, y la otra se encargara de proporcionar corriente a la muestra.

El control de temperatura es un equipo muy importante dentro de este sistema de medidas, ya que por medio de este vamos a variar la temperatura de la muestra comenzando desde niveles muy bajos a niveles muy altos, hasta llegar al punto de fusión del indio que es donde este material se desprenderá de la muestra semiconductora y finalizará la recolección de datos. Cabe destacar que el controlador de la temperatura está conectado a la fuente de poder principal, que toma los datos de variación del voltaje en función de su temperatura, y esta fuente de igual forma lleva la señal de los datos recogidos al computador donde tenemos el sistema automatizado de medidas que mostrare a continuación.

^{Un ejemplo de la simulación de software automatizado para las medidas de resistividad eléctrica en función de la temperatura (programa microsoft excel}

Como podemos observar en la imagen anterior, el programa presenta características particulares para el sistema de medición, en el podemos modificar el paso corriente y voltaje a la muestra, sin necesidad de hacerlo manualmente en la fuente, también podemos colocar el tiempo de barrido de la muestra, entre otros. Este programa está diseñado por el personal técnico del laboratorio explícitamente para medidas de resistividad eléctrica, lo cual es una gran ventaja para los científicos en el área de los semiconductores ya que este tipo de software luego de realizarse diferentes pruebas de confiabilidad mostró una eficacia del 99%, lo cual es una gran ventaja para todos nosotros, ya que anteriormente las medidas se tomaban de forma manual.

Luego de finalizar el barrido de la muestra, el programa registra todos los datos obtenidos de la corriente, voltaje y temperatura, para luego exportarlos a cualquier programa de representen gráficos, como por ejemplo Origin. Ahí podemos anexar dichos datos y observar la curva de resistividad eléctrica del compuesto semiconductor como se representa en la figura 2.

^{Figura 2. Curva de resistividad eléctrica vs temperatura} Otra forma de calcular la resistividad eléctrica es mediante la siguiente ecuación:

dónde:

a es el ancho de la muestra.

e espesor de la muestra.

d distancia de los puntos de contacto.

v voltaje.

I corriente.

Conclusiones: Es importante resaltar que la información suministrada en esta publicaciones es sumamente básica, para determinar la resistividad eléctrica y otras características importantes de las propiedades de un semiconductor necesita de estudios más profundos o avanzados, con esto quiero decir en la concentración de portadores de carga y conductividad eléctrica de un compuesto semiconductor se requiere el análisis de ecuaciones más complejas. En esta oportunidad se presentó como se debe realizar la configuración correcta de un sistema de análisis de medidas de resistividad eléctrica, ya que sin un correcto procedimiento experimental sería imposible analizar el comportamiento físico de un semiconductor.

Muchas gracias y hasta una próxima entrega!.

Bibliográficas consultadas

(1)Marin, G. (2001). Preparación para diferentes técnicas, estudios comparativos de las propiedades ópticas y eléctricas en función de la temperatura de los semiconductores CuInTe2 y CugaTe, Tesis de Maestría. Mérida, Universidad de los Andes.

Marin, G. Wasin M,S. Sanchez, G. Perez. Mora, A. (1998). Caracterización estructural y de composición del CuInTe2 obtenido por la técnica de evaporación del Te.CIENCIA 6(2), pag 129-137.

Charles Kittel. (2004) Introducción a la física del estado sólido ". Segunda edición. Editorial Reverte.

ASTMF43-09. Internacional. (2011). Estándar (2010) Métodos de prueba de resistividad de materiales semiconductores Vol. 10.05.

ASTMF42-02. Standard (2003) Test Methods for Conductivity Type of Extrinsic Semiconducting Materials Conyained in Vol 10.05.

Smith, W; Hashemi. (2006) Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales. Cuarta Edición. México. Editorial McGraw Hill, pag 791-796.

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