Foto de un montaje experimental de óptica para conductores con fibra

Métodos Experimentales en la investigación de materiales semiconductores cristalinos


Introducción a las técnicas y métodos experimentales utilizados para determinar las propiedades estructurales, térmicas, ópticas y eléctricas de los materiales semiconductores que se usan en la fabricación e investigación de celdas fotovoltaicas

Publicado: Jue 1 de Dic de 2022

Última modificación: Sáb 14 de Ene de 2023

Publicado: Jue 1 de Dic de 2022

Última modificación: Sáb 14 de Ene de 2023

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Materiales y Propiedades Físicas

Existen muchas clases de tecnologías, materiales y sustancias que pueden ser utilizadas para el desarrollo de celdas solares fotovoltaicas, y cada uno de ellos requiere de sus propios métodos de análisis y experimentación. Por ello, es que se hace necesario acotar el tipo de materiales que pretendemos estudiar para desarrollar nuestras celdas solares fotovoltaicas, y con ello definir claramente cuáles son las técnicas y métodos de experimentación idóneos para dichos estudios.

Para fabricar una celda solar fotovoltaica lo que se requiere básicamente es cualquier sustancia que a través de algún aditamento, proceso o transformación sea capaz de exhibir el fenómeno del efecto fotovoltaico. Esto se logra normalmente a través de la creación de una interfase entre algunos materiales, que en la mayoría de los casos resultan ser materiales semiconductores cristalinos. En principio, cualquier material podría ser utilizado para desarrollar celdas fotovoltaicas, pero los semiconductores cristalinos se encuentran entre los materiales que más se han estudiado y de los cuales se conocen muy bien sus propiedades físicas en general; todo gracias al desarrollo vertiginoso que experimentó la industria de la electrónica y el desarrollo de chips para ordenadores.

La gran mayoría de las celdas fotovoltaicas se desarrollan con estos semiconductores cristalinos, y por ello, es que nuestra estrategia de investigación y desarrollo de celdas fotovoltaicas se centra en el uso de estos materiales. Así, la gran mayoría de las técnicas y métodos experimentales que se describirán a lo largo de este sitio web, están estrechamente relacionados con los semiconductores cristalinos.

La física del estado sólido

En la física hay una rama especializada en el estudio de los sólidos a la que se denomina la Física del Estado Sólido. Esta área de la física es la que se especializa en el estudio de los materiales sólidos, de sus estructuras, propiedades y aplicaciones. Existen una gran diversidad de formas de agregación de la materia, entre las que contamos los gases, los líquidos, los sólidos, el plasma y muchos otros estados exóticos como son los condensados fermiónicos, o de Bose-Einstein, entre otros. Básicamente, la clasificación está relacionada con las fuerzas de unión que experimentan los átomos y moléculas constituyentes de esa materia y los grados de libertad de movimiento que poseen a una temperatura y presión dados. Así, los sólidos son los agregados de materia que menos libertad de movimiento poseen en sus átomos y moléculas; mientras que los gases son los que experimentan los mayores grados de libertad de movimientos, solo limitados por el contenedor en el que se encuentran. Los líquidos, que representan toda una gran área gris donde entran casi todos los materiales conocidos, poseen propiedades intermedias entre los sólidos y los gases. De hecho, estrictamente hablando solo existen los gases ideales, como el verdadero estado gaseoso, y los sólidos cristalinos como el verdadero estado sólido, todos los demás estados intermedios pueden considerarse como una variante del estado líquido.

La física del estado sólido se encarga de estudiar todo lo relacionado con los materiales cristalinos, es decir, todo lo relacionado con los sólidos verdaderos. Desde el punto de vista físico, un sólido es un material que posee una estructura cristalina. Una estructura cristalina es un material que posee uno de los tipos o variantes de las redes periódicas reales de Bravais y una base de átomos o moléculas asociada con dicha red.

Para comprender claramente qué es un sólido es necesario entender qué son las redes periódicas y la base de un cristal.

Las redes periódicas

Los matemáticos han estudiado muy a fondo el tema de las simetrías en el universo. Luego de muchos análisis y estudios, se ha llegado a la conclusión de que solo existen un número finito de patrones de puntos que al utilizar simetrías de rotación y traslación, son capaces de llenar todo el espacio hasta el infinito. En general, en un arreglo tridimensional de puntos solo existen 7 sistemas cristalinos básicos que son: el triclínico, monoclínico, ortorrómbico, tetragonal, romboédrico, cúbico y hexagonal. Bravais, encontró que era posible agregar otros puntos matemáticos a estos sistemas cristalinos, generando un nuevo tipo de sub-red que era periódica, obteniéndose asi un total de 14 redes, que se denominan Redes de Bravais.

La red periódica no es más que una abstracción de puntos matemáticos “imaginarios” distribuidos en el espacio real, que cuando se repiten utilizando simetrías de rotación y/o traslación son capaces de llenar todo el infinito de manera homogénea y uniforme.

Es importante entender que estos puntos imaginarios de la red no son reales, pero su interacción con la materia si tiene efectos físicos reales y mesurables. La mejor analogía para entender a los puntos de red es considerarlos como los puntos que representan el centro de masa de un sistema de muchas partículas no conectadas. Por ejemplo, cuando lanzamos un objeto y este explota en el aire, el centro de masa que es un punto imaginario sigue describiendo una trayectoria parabólica, y todos los restos de la materia que formaban ese objeto quedan distribuidos en proporciones y densidades relacionadas con ese centro de masa. Aun cuando el centro de masa es un punto imaginario termina definiendo las propiedades y estabilidad de los sistemas físicos.

La base del cristal

La base de un cristal es la mínima representación posible de materia que es capaz de generar toda la estructura cristalina. La base puede estar formada por un solo átomo, por una molécula, o por decenas o miles de átomos y moléculas. Por ejemplo, toda una cadena de ADN o ARN puede representar la base de un cristal, que se asocia con un único punto de red.

¿Qué es un sólido o cristal?

El sólido o cristal es el que está formado por una base de átomos o moléculas que están asociados con alguna de las redes periódicas de Bravais. Si la red es una red cúbica entonces se trata de un cristal cúbico, si la red es una red hexagonal entonces se trata de un cristal hexagonal. Las propiedades de los sólidos en general quedan definidas básicamente por la red periódica y no por el tipo de átomos o moléculas que forman ese sólido.

Por ejemplo, si tengo una estructura cristalina cúbica formada por una red cúbica y una base de un átomo de oro, las propiedades de este cristal van a ser muy similares o parecidas a las propiedades de un cristal cúbico que tiene como base por ejemplo átomos de hierro, o incluso moléculas de ADN. Se pueden detectar variaciones específicas entre estos cristales pero el comportamiento general de sus propiedades estructurales, térmicas, ópticas y eléctricas debería en principio ser muy similares.

Los grupos espaciales

Por supuesto, que si introducimos bases que son muy diferentes entre sí, sobre todo desde el punto de vista de simetría, vamos a obtener distintos tipos de propiedades en ese cristal. La razón es muy simple, y es que no todas las bases tienen las mismas propiedades de simetría. Por ejemplo, una esfera es perfectamente simétrica y es invariante ante operaciones de rotación y traslación, pero otros objetos no lo son, como por ejemplo una molécula de ADN. De hecho, si nuestra base está formada por varias esferas distribuidas de una manera un tanto aleatoria, resulta que esta base puede que ya no tenga simetría rotacional, lo cual la convierte en un cristal distinto al anterior. Por tanto, las bases también deben cumplir con todos los elementos de simetría rotacional y de traslación para poder ser considerados un cristal.

Cuando los matemáticos estudiaron las simetrías rotacionales a través de un punto de los elementos de la base de un cristal, encontraron que se podían generar 32 Grupos cristalinos a partir de la simetría puntual. Si además se combinan las simetrías de traslación con estas simetrías puntuales, es posible construir 230 grupos espaciales, o lo que es lo mismo, un total de 230 formas cristalinas distintas.

Materiales y comportamiento eléctrico

Existen muchas formas de analizar y estudiar el comportamiento eléctrico de los materiales que existen en el universo, y una de las técnicas más utilizada es la medida de la resistividad o conductividad eléctrica de ese material. La resistividad eléctrica, que no es más que el recíproco de la conductividad eléctrica, es una propiedad intrínseca de la materia y, por tanto, sus valores están relacionados con la naturaleza propia del material y no depende de la cantidad o volumen de dicho material. La resistividad eléctrica se define como la oposición al paso de la corriente eléctrica a través de un material, que surge como consecuencia de su configuración electrónica y de los efectos cuánticos internos de ese material.

Cuando los valores de la resistividad de los materiales se analiza en función de la temperatura, se logran definir dos tipos básicos de materiales en el universo, siempre visto desde el punto de vista eléctrico, a los que se denominan como metales y aislantes. El comportamiento y propiedades físicas de los metales y de los aislantes son muy diferentes entre sí, en lo que se refiere a sus propiedades eléctricas, térmicas y ópticas. Por ejemplo, los metales son muy buenos materiales para reflejar la luz, mientras que los aislantes son excelentes para absorber la luz.

Los aislantes no son un tipo de material en particular sino una gran gama de materiales que exhiben un tipo de comportamiento eléctrico muy bien definido. Los aislantes se definen como todos aquellos materiales que tienen la característica de que su resistividad eléctrica disminuye a medida que aumenta la temperatura. Los metales se definen como todos aquellos materiales cuya resistividad eléctrica aumenta en función de la temperatura.

En nuestro caso particular, nos interesan los materiales aislantes, porque dentro de ese grupo existen los denominados materiales semiconductores. De hecho, no es más que una clasificación un tanto arbitraria, ya que se toman como semiconductores aquellos aislantes cuyo valor de la resistividad eléctrica no es muy alto a temperatura ambiente, usualmente como máximo una decena de Kohm x cm (10³ ohm cm), mientras que los aislantes se toman como aquellos materiales cuyo valor de resistividad es del orden de varios Mohm x cm (10⁶ ohm cm) a temperatura ambiente.

Los metales o aislantes en sí mismo no son un tipo de material sino un tipo de comportamiento. Cualquier material puede tener un comportamiento metálico o aislador, así puede haber maderas que tiene un comportamiento metálico o de aislante, incluso pueden ocurrir cambios de comportamiento en los que en ciertas condiciones un material se comporta como aislante y en otras se comporta como un metal.

Los materiales semiconductores cristalinos

De todos los posibles materiales semiconductores que existen en la naturaleza, nos interesan particularmente los llamados semiconductores cristalinos. Los semiconductores cristalinos son aquellos sólidos que bajo ciertas condiciones de temperatura y presión exhiben el comportamiento de los semiconductores, es decir, los valores de la resistividad eléctrica de ese sólido disminuyen con el aumento de temperatura.

A diferencia del resto de los semiconductores, los semiconductores cristalinos son materiales sólidos, y por ende, sus propiedades estructurales, térmicas, eléctricas y ópticas pueden ser estudiadas y reproducidas con bastante precisión bajo condiciones muy bien acotadas. En el resto de los materiales semiconductores las propiedades no son del todo reproducibles, ya que el material está en constante cambio o evolución al ser líquidos o gases. Existe la tendencia a confundir la dureza de los materiales con su estado, como por ejemplo al considerar que un pedazo de madera o incluso de concreto es un material sólido, cuando en realidad se tratan de líquidos que fluyen muy lentamente, alterándose y evolucionando con el tiempo. En el caso de los materiales que no son sólidos, estos se deforman bajo condiciones de presión y temperatura, mientras que los sólidos simplemente se expanden o comprimen sin alterar su estructura básica.

La estructura cristalina de los semiconductores

Por definición al ser sólidos, los semiconductores cristalinos poseen una estructura cristalina muy bien definida formada por una red periódica más una base de átomos o moléculas que lo constituyen. Debido a ciertas particularidades de la configuración electrónica e hibridación de orbitales s-p y p-d, las estructuras cristalinas que se forman por la intercalación de dos sub redes cúbicas centradas en las caras, donde una red está desplazada con respecto a la otra 1/4 en los tres ejes tridimensionales, generan siempre estructuras cristalinas cuyo comportamiento eléctrico es del tipo semiconductor. A estas redes intercaladas se le conoce como la red de diamante, justamente porque cuando la base está representada por un átomo de carbono, el cristal resultante es un diamante.

Todos los materiales que tienen estructura de diamante siempre exhiben el comportamiento aislante o semiconductor. La estructura de diamante tiene propiedades muy singulares que hace que los materiales que cristalizan en esta estructura tengan propiedades térmicas, eléctricas y ópticas que pueden ser utilizadas para desarrollar una gran variedad de tecnologías y de aplicaciones. La estructura de diamante se muestra en la siguiente figura, donde los puntos de red están siendo ocupados por un átomo de algún elemento particular.


Estructura cristalina de diamante
Estructura cristalina de diamante.
Fuente: Departamento de Cristalografía y Biología Estructural. CSIC. España

Pero, lo más interesante de la estructura de diamante es que a partir de esta estructura básica y de sus derivaciones, es posible obtener decenas de miles de distintos materiales cristalinos semiconductores. Por ejemplo, en lugar de utilizar el carbono que es el primer elemento químico del Grupo IV de la tabla periódica, utilizamos el silicio que es el siguiente elemento de ese grupo. Así se obtiene enseguida un cristal de silicio. Crecer cristales de silicio es mucho más simple y económico que obtener diamantes, ya que las condiciones de temperatura y presión que se requieren son mucho más modestas que las que se requieren para crecer un diamante. O podríamos utilizar germanio, estaño o plomo, que son los siguientes elementos en ese grupo de la tabla periódica, y en todos los casos obtenemos cristales con estructura de diamante que se comportan como materiales semiconductores. De hecho, podemos utilizar dos bases distintas para cada sub red dentro de la red de diamante, por ejemplo un átomo de zinc para una red y un átomo de azufre para la otra red, y generar de esta manera una nueva estructura cristalina, que es muy similar a la estructura del diamante, pero definitivamente no es la misma sino una derivación de esta red. Esta nueva red particular se le conoce como una red tipo “Esfalerita”, que es el mineral conocido como blenda de zinc (ZnS). De hecho, la esfalerita ya no es representante de unos cuantos materiales sino de lo que se conoce como una familia de semiconductores, denominada familia de semiconductores II-VI, porque básicamente surge de mezclar un átomo del grupo II de la tabla periódica con un átomo del grupo VI. Así surge decenas de nuevos materiales semiconductores todos con nuevas propiedades de interés para el desarrollo tecnológico en electrónica, óptica y energía.

Siguiendo esta misma lógica, se generan decenas de nuevas familias de semiconductores cristalinos a partir derivaciones de la red de diamante, anticipando que existen miles de semiconductores cristalinos cuyas propiedades térmicas, eléctricas y ópticas desconocemos y que pueden crear nuevas tecnologías en todas las áreas del conocimiento. Sin embargo, la investigación, aplicaciones y uso de semiconductores para el desarrollo de tecnología se ha limitado casi que exclusivamente al uso de cristales de silicio. Simplemente, porque hemos podido desarrollar mucha tecnología a partir de este material y en casi todos los casos los resultados que se obtienen son satisfactorios desde el punto de vista económico, tecnológico y de la complejidad de los problemas que resuelve. Esto ha dado a entender de manera errónea que el silicio es la solución para absolutamente todas las aplicaciones en las que se requieren materiales semiconductores cristalinos, como es el caso por ejemplo, para el desarrollo de celdas solares fotovoltaicas. El silicio no es ni siquiera de cerca un semiconductor cristalino ideal para el desarrollo de celdas fotovoltaicas, pero como existe toda una tecnología e industria ya instalada para trabajar y desarrollar tecnologías a base de silicio, sus ineficiencias se ven superadas con creces por lo pocos avances y desarrollos que presentan las tecnologías que utilizan otros semiconductores cristalinos, que convierten al silicio en el el candidato económicamente más viable para ser aplicado en casi cualquier tecnología actual.

Como vemos, existen decenas de miles de potenciales semiconductores cristalinos que pueden ser utilizados para el desarrollo de celdas fotovoltaicas, pero lamentablemente desconocemos todas las potencialidades de esos materiales porque casi ninguno de ellos ha sido estudiado de manera sistemática. El objetivo principal de este artículo es describir las técnicas y métodos experimentales principales que se pueden usar para estudiar las propiedades y potencialidades de todos esos nuevos materiales semiconductores cristalinos.

La caracterización de los materiales semiconductores

La caracterización de materiales se refiere al proceso de obtención de los valores característicos que tienen algunas de las propiedades térmicas, estructurales, ópticas, eléctricas, o de cualquier otro tipo de una sustancia, y que permiten describir e identificar de manera inconfundible al material objeto de estudio.

Imagínese que le entrego un pedazo de roca encontrado en un lugar recóndito de algún desierto, o incluso puede que venga de algún otro planeta fuera de nuestro sistema solar, y le hago una serie de preguntas simples: ¿Qué es lo que tiene en la mano? ¿Es un sólido o es algún tipo de líquido? ¿Es un metal? ¿Ese pedazo de roca puede ser utilizado para fabricar celdas fotovoltaicas? Como vemos, lo primero que deberíamos hacer es caracterizar plenamente a ese material, es decir, identificar sin ningún tipo de ambigüedad que es exactamente ese material, si se trata de uno ya conocido por nuestra ciencia o sí se trata de algo totalmente nuevo para nosotros.

Para ello, debemos recurrir a una serie de técnicas y métodos experimentales que nos permitan medir ciertos parámetros que son únicos y que identifican sin ningún tipo de ambigüedad el material objeto de estudio. Lo ideal es determinar la mayor cantidad de parámetros físicos únicos de ese material, como son la estructura cristalina, la estequiometría, su punto de fusión y cantidad de fases que presenta, y cualquier otro parámetro óptico, eléctrico o térmico que permita diferenciarlo de otros materiales existentes.

Las técnicas experimentales básicas que se suelen utilizar con mayor frecuencia para este propósito son la difracción de rayos X para determinar la estructura cristalina; la microscopía electrónica para determinar la composición estequiométrica; el análisis térmico diferencial para establecer las fases y puntos de fusíón; la medida de la resistividad eléctrica para determinar si se trata de un semiconductor o no; el efecto Hall para determinar la concentración de portadores; la absorción óptica para determinar la brecha de energía prohibida; entre muchísimas otras técnicas que serán descritas en los diferentes artículos de esta sección.

Propiedades estructurales

En nuestro caso particular, nos interesa identificar a los semiconductores cristalinos, por tanto, lo primero que debemos hacer es determinar si nuestro material es un sólido o no, es decir, si posee o no una estructura cristalina. Para ello, lo que debemos hacer es un estudio completo de difracción de rayos X de ese material. Una vez que se verifique que se trata de un cristal, entonces debemos analizar la composición química de dicho material y para ello se suele recurrir a la microscopía electrónica.

Difracción de Rayos X en semiconductores

El estudio de la difracción de rayos X es en extremo complejo e involucra muchas técnicas y equipamientos distintos que nos permiten identificar plenamente la estructura cristalina de una sustancia. Esto significa que con la difracción de rayos X se identifica el tipo de red periódica en la que cristaliza ese material, y se determinan su grupo espacial, y parámetros muy importantes como el tamaño de la celda unidad de dicha red, y muchas otras propiedades que ayudan a entender el comportamiento de dicho sólido. Normalmente, lo que se suele obtener de un estudio de difracción de rayos X es el denominado patrón de difracción, cuya importancia radica en el hecho de que estos patrones de difracción son únicos para cada sustancia o material cristalino, siendo utilizados como una especie de huella dactilar para cada una de las sustancias. Es decir, si logramos medir el patrón de difracción de un cristal, por simple comparación con una enorme base de datos cristalográfica, podemos identificar sin ambigüedad el tipo de sustancia de la que se trata. De allí, la importancia de la difracción de rayos X en la caracterización de materiales semiconductores cristalinos.

Haciendo un estudio de difracción de rayos a nuestra roca desconocida, podremos responder a varias preguntas con mucha certeza. Si el material muestra un patron de difracción luego es un sólido cristalino. Si dicho patrón está registrado en las bases de datos cristalográficas entonces es un material conocido, y queda plenamente identificado. Si no está registrado en dichas bases de datos, entonces se trata de una sustancia totalmente nueva para la ciencia y deben llevarse a cabo todo tipo de estudios conocidos para identificar cada una de sus propiedades.

Microscopía electrónica en semiconductores cristalinos

Otra herramienta fundamental en la caracterización de los materiales es la microscopía electrónica, pero más específicamente el Análisis de Dispersión de Energía de Rayos X o EDAX (de sus siglas en ingles de Energy Dispersive X-ray Analysis). La microscopía electrónica basa su funcionamiento en un haz de electrones que golpea un espécimen y luego esos electrones son analizados para formar imágenes muy nítidas y de muy alta resolución. Entre más alta es la energía de esos electrones mayor es el poder de resolución de esos microscopios. Sin embargo, como efecto secundario de utilizar electrones de alta energía, las muestra que son golpeadas por estos electrones emiten radiación de rayos X. Estas radiaciones pueden ser analizadas en función de la energía que emiten, y resulta que dichas emisiones son muy características para cada uno de los tipos de elementos que la emiten. Es decir, analizando las emisiones de rayos X es posible identificar sin ambigüedad el elemento químico que está emitiendo dicha radiación, e inclusive se puede cuantificar en proporciones estequiométricas dichas emisiones. Esto significa, que analizando eso rayos X emitidos por las muestras se puede determinar con mucha certeza la estequiometría de la muestra, determinando de esta manera la composición química exacta de dichos materiales.

Propiedades Eléctricas de semiconductores cristalinos

Lo que hace interesante a los semiconductores cristalinos son sus propiedades eléctricas, en particular la habilidad para alterar o modificar dichas propiedades. Las tecnologías y aplicaciones que surgen del uso de los semiconductores deben su éxito al conocimiento que se tiene de las propiedades eléctricas de estos materiales ante la presencia de campos eléctricos y magnéticos. De hecho, los semiconductores cristalinos son la base de toda una industria que revolucionó la vida de todos los habitantes de nuestro planeta, la que denominamos la industria electrónica. La electrónica es el control del paso de una corriente eléctrica a través de la interfase que se forma en el contacto con un cristal semiconductor. Controlar la corriente eléctrica que circula a través de estas interfases cuando están en presencia de campos eléctricos y magnéticos, es lo que permite el desarrollo de una gran diversidad de dispositivos electrónicos tales como sensores, diodos, transistores, diodos emisores de luz y por supuesto, celdas fotovoltaicas.

Pero todo lo relacionado con las propiedades eléctricas en los semiconductores cristalinos se reduce a dos parámetros claves que son: la resistividad eléctrica y la densidad de portadores de carga, que también se le denomina concentración de portadores de carga. La resistividad eléctrica ya la hemos definido en este artículo como una propiedad intrínseca de los materiales de oponerse al paso de una corriente eléctrica, y que tiene su origen en efectos cuánticos y configuraciones electrónicas internas del material. La densidad de portadores de cargas es una medida del número de estados accesibles por unidad de volumen que tiene el portador de la carga eléctrica a nivel cuántico, y se suele denotar con la letra n. Es fundamental no confundir la concentración de portadores de carga n con el número total de electrones o portadores de carga en un semiconductor, tal como se hace en la mayoría de las publicaciones, por ejemplo la definición errónea en Wikipedia.

Determinar la concentración de portadores n provee de una gran cantidad de información a nivel cuántico del material objeto de estudio. Por ejemplo, de la concentración de portadores n es posible extraer información sobre el valor de la energía de Fermi asociada con esa concentración. La energía de Fermi es el parámetro fundamental en la función de distribución estadística de Fermi-Dirac, que determina el número de estados accesibles para un sistema a una temperatura dada. La función de distribución de Fermi-Dirac es la que define las reglas del universo para los electrones, o cualquier particular de espín semi entero, a nivel cuántico dentro de un cristal. El valor de la energía de Fermi, que nos permite establecer su posición en un diagrama de fase (es decir en un diagrama de energía versus momento) y que se le suele llamar nivel de Fermi, es la que determina la creación de las interfases cuando cristales con diferentes niveles de Fermi se ponen en contacto. En pocas palabras, son las posiciones de los niveles de Fermi los que permiten crear diferentes interfases en los cristales semiconductores, y estas interfases son las que controlan el paso de la corriente. En últimas controlar la posición del nivel de Fermi, es lo que controla el paso de la corriente entre los materiales que se encuentran en contacto, es decir, el nivel de Fermi es lo que da la posibilidad de hacer electrónica. Por tanto, para entender, diseñar y fabricar dispositivos electrónicos con semiconductores cristalinos es fundamental determinar la concentración de potadores n y la resistividad eléctrica de esos cristales.

La Resistividad eléctrica

Existen muchas técnicas y métodos para medir la resistividad eléctrica de un cristal semiconductor. Lo primero que debemos hacer es medir la resistividad en función de la temperatura y verificar que el valor disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta es la única forma de confirmar o comprobar que estamos trabajando con un material semiconductor. Sin embargo, la medida experimental de la resistividad tiene sus complicaciones y, dependiendo del tipo de material, configuración geométrica y composición química, se requiere uno u otro método para determinar los valores de esa resistividad. Así, existen una gran diversidad de técnicas y métodos experimentales que deben llevarse a cabo dependiendo del cristal semiconductor que estemos estudiando.

La medida de la concentración de portadores n

La técnica más utilizada para medir la concentración de portadores es la que se conoce como la medida del Efecto Hall. Básicamente, consiste en aplicar un campo eléctrico y un campo magnético de manera simultánea a una muestra y analizar los efectos que se producen sobre la corriente eléctrica que circula de manera perpendicular a ambos campos. El efecto neto es la generación de una pequeña diferencia de potencial, a partir de la cual es posible determinar la concentración de los portadores. Al igual que en el caso de la resistividad, existen muchas complicaciones en la medida del efecto Hall y dependiendo del material bajo estudio, se requerirán de técnicas o métodos específicos.

Propiedades Ópticas

Las propiedades ópticas de los semiconductores cristalinos se refieren a todas las interacciones que suceden entre ondas electromagnéticas (luz) y los portadores de carga dentro de ese cristal. Como en todo sistema cuántico, los valores de energía que pueden adoptar los portadores de carga deben corresponderse con las posibles soluciones a la ecuación de Scrhödinger dentro de los límites de ese cristal. Así, cuando la luz interactúa con un cristal semiconductor, las cantidades de energía que este puede absorber o emitir tienen que estar en correspondencia con los valores de energía permitidos para los portadores de carga en ese cristal. Resulta que las soluciones a la ecuación de Scrhödinger dentro del cristal tiene ciertos rangos de valores de energía permitidos, y otros rangos de energía que no son permitidos para los portadores. Estos valores de energía no permitidos se les conoce como la brecha de energía prohibida de un cristal, y ese valor de energía suele ser característico de cada material semiconductor cristalino.

A partir de la determinación del valor de la brecha de energía prohibida de un cristal, es posible identificar el semiconductor cristalino con el cual se está trabajando. Este valor de energía prohibida puede ser estimado con mucha precisión a partir de los espectros de absorción óptica de los cristales, o a través de los espectros de fotoluminiscencia o reflectancia, entre muchos otros métodos. Los valores de la brecha de energía prohibida de un semiconductor son los que determinan las posibles aplicaciones de estos materiales como sensores o productores de energía, y junto con el valor de energía del nivel de Fermi, determinan el tamaño de la interfases que se pueden formar en esos semiconductores.

La medida de una gran cantidad de fenómenos ópticos que se pueden presentar en un semiconductor, permiten determinar todos los niveles de energía que están permitidos dentro de un semiconductor, incluso contradictoriamente, dentro de la brecha de energía prohibida del semiconductor. Determinar estos niveles de energía, su posición con respecto al nivel de Fermi, es el verdadero objetivo del estudio de los materiales semiconductores. Conocer la posición de cada uno de esos niveles de energía es lo que permite crear una gran gama de dispositivos electrónicos a partir de los materiales semiconductores.

Propiedades Térmicas

Las propiedades térmicas se refieren a todos los parámetros físicos no eléctrico u óptico que tienen una respuesta o cambio apreciable en función de la temperatura. Entre las propiedades térmicas más importantes destacan los cambios de fase de cualquier tipo como son, los cambios de fase sólido-sólido, sólido-líquido, sublimaciones, evaporaciones, etc. El estudio de estos cambios permite determinar los puntos de fusión, y los rangos de temperaturas en la que existen fases estables para esos materiales.

La técnica más utilizada para determinar una gran cantidad de parámetros térmicos es el denominado Análisis Térmico Diferencial (ATD) o cualquiera de sus derivaciones, y que consiste básicamente en hacer medidas de calorimetría en los materiales y determinar los puntos de temperatura en las que se producen cambios de la capacidad calorífica. Los cambios observados en la capacidad calorífica son interpretados o asociados con diversas transformaciones o cambios de fases que son característicos de cada material.

Recapitulación

En este artículos se han descrito una serie de técnicas experimentales básicas que tienen como objetivo fundamental identificar al material objeto de estudio y algunos de sus parámetros físicos más importantes. En general, las técnicas y métodos experimentales que se utilizan en el estudio de los materiales semiconductores tienen siempre los siguientes objetivos:

  • Identificar plenamente el material objeto de estudio
  • Identificar si el material objeto de estudio es un semiconductor o no
  • Determinar el valor de la brecha de energía prohibida del semiconductor
  • Determinar la posición del nivel de Fermi en el semiconductor
  • Determinar cada uno de los niveles de energía permitido dentro de la brecha de energía del semiconductor

En la sección de técnicas experimentales se describen con gran detalle técnico una infinidad de técnicas y métodos cuyo objetivo es siempre determinar estos parámetros que acabamos de mencionar.


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