Bajas temperaturas para los defectos en semiconductores

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

La conductividad eléctrica es una de las propiedades eléctricas que nos permite establecer si un material semiconductor puede ser usado como dispositivo optoelectrónico, ya que facilitaría los mecanismos de conducción de los portadores de carga mayoritarios entre los terminales de una unión p-n o de un semiconductor simple.

En el artículo que les presenté la semana pasada sobre Defectos en Semiconductores les prometí seguir con el Análisis Térmico Diferencial, con el fin de determinar las transiciones térmicas presentes en los semiconductores con vacancias o PDDA, también el estudio de las propiedades eléctricas que comprende la resistividad eléctrica, concentración y movilidad de los portadores de carga en función de la temperatura en el rango desde 300 K hasta 77 K.

Para determinar el punto de fusión y transiciones térmicas en el estado sólido les presento un termograma representativo de un compuesto con vacancia  o PDDA, el CuIn3Te5, que se encuentra en 75% del contenido de In2Te3 del sistema pseudobinario. 

Transiciones térmicas del semiconductor CuIn3Te5. Fuente: iamphysical

La línea vertical en rojo indica la composición del CuIn3Te5, donde se observa que desde la fase líquida (desde arriba hacia abajo) se tiene un punto de fusión de 784 ºC y van apareciendo los primeros cristales de este semiconductor hasta obtener un lingote sólido a 740 ºC. Esta diferencia de temperatura es característica de una fusión incongruente, es decir que el semiconductor pasa desde el estado líquido a una fase sólido+líquido y posteriormente al estado sólido o lingote como lo conocemos. Al seguir enfriando el sistema se observa una transición térmica en el estado sólido en 670 ºC, correspondiente al cambio estructural desde la fase desordenada esfalerita hacia la fase de los compuestos de pares de defectos donor-aceptor PDDA, o compuestos con vacancias ordenadas CVO. 

Transiciones térmicas del semiconductor CuGa3Te5. Fuente: iamphysical

Un análisis similar se realiza con el semiconductor CuGa3Te5, donde se observa una fusión incongruente con temperatura de fusión en 870 ºC. Este tipo de estudio me permite establecer la presencia o no de fases secundarias en el semiconductor que pudieran tener influencia en el comportamiento intrínseco de sus propiedades.

Luego de hacer la caracterización básica de los materiales semiconductores, esto es: composición química con el microscopio electrónico de barrido, estructura y parámetros de la red unidad con el difractómetro de rayos X y las transiciones térmicas con el análisis térmico diferencial, procederé a mostrar algunos resultados de las medidas eléctricas:
 

Resistividad eléctrica en semiconductores con PDDA. Fuente: iamphysical

Los mecanismos de conducción eléctrica comienzan desde 300 K (temperatura ambiente) hasta una temperatura crítica (donde cambia la pendiente) y se debe a la activación térmica para los saltos energéticos entre las bandas de valencia y de conducción. A bajas temperaturas (menores que 100 K) pudieran aparecer otros mecanismos de conducción como: saltos a rango variable (variable range hopping), Mott, Efros-Shklovskii, entre otros. Puede diferenciarse en la gráfica anterior por un cambio en la pendiente de la resistividad eléctrica.

Las mediciones de resistividad eléctrica nos permiten estimar la energía de activación de los niveles donadores o aceptadores de cargas y seguidamente poder asignar el posible origen en base a las vacancias o intersticiales de cationes o aniones.

Origen de los niveles de impurezas. Fuente: iamphysical

Y me refiero a los niveles de impurezas, no porque les agregué un elemento impurificado, sino que estos compuestos incorporan PDDA de manera intrínseca, los que producen una variación notable en la concentración de los portadores (p o n) de carga reduciendo hasta 3 órdenes de magnitud!

Concentración de portadores de carga. Fuente: iamphysical

Aquí es importante resaltar la contribución de la banda de impurezas en los mecanismos de conducción y diferenciar el aporte desde la banda de valencia. 

El análisis de estos resultados se basa en el uso de un modelo propuesto por Blackemore para estimar los valores de: la masa eficaz, energía de activación y la concentración de los niveles donadores o aceptadores.

En esta sección del artículo, les resalto la importancia de considerar la contribución de los PDDA en la disminución relativa de la concentración de portadores de carga respecto a los semiconductores sin vacancias, como los 1:1:2 o CuInTe2, ya que también se ve afectada la movilidad de los portadores debido a las múltiples fuentes de colisiones de dichos portadores de carga.

Movilidad de portadores en compuestos 1:3:5. Fuente: iamphysical

La variación de la movilidad de los portadores con la temperatura depende fuertemente de los diferentes mecanismos de dispersión (colisiones) y se analiza mediante la aproximación del modelo de Mathiessen, la cual considera la contribución de dispersión por: modos ópticos polares o no polares, acústicos, impurezas ionizadas, entre otras.

De esta manera se propone incluir otro mecanismo de dispersión que raramente se toma en consideración en otro tipo de semiconductores y es debido a los modos localizados en la banda de impurezas. 

La influencia de los pares de defectos donador-aceptador pueden ser beneficiosos desde el punto de vista tecnológico porque despliega un abanico de opciones en aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos, y como lo mencioné en mi artículo anterior, se pueden encontrar novedosos comportamientos como el de la dispersión por impurezas que afectan la movilidad de los portadores de carga.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Los Materiales Semiconductores
○ Dispositivos Semiconductores
○ Electrical and optical properties of CuInTe2

○ Algo más sobre los Semiconductores
○ Introducción a los Semiconductores
 

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