Verificación del tipo de Conductividad eléctrica del NUEVO Semiconductor Ag2PbTe3.

Hola estimados amigos de la comunidad #steem-espanol.

Hoy les quiero compartir la primera parte de mi Trabajo Especial de Grado (TEG) para optar al título de Licenciado en física. El cual se tituló "PARÁMETROS ELÉCTRICOS EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL SEMICONDUCTOR Ag₂PbTe₃".

Foto del día de mi presentación de TEG ^(a).

Antes de empezar quiero invitarles a leer mis anteriores artículos: ¿Cómo calcular la masa de los elementos que constituyen un material? y ¿Cómo determinar si un material es un sólido cristalino?. Ya que se requiere de este conocimiento básico relacionado a mi muestra de estudio, el semiconductor Ag₂PbTe₃".

OBJETIVO.

• Verificar el tipo de conductividad eléctrica del Ag₂PbTe₃ a través del método experimental punta caliente.

1. INTRODUCCIÓN.

Cuando a un cristal se agita térmicamente se produce la excitación térmica de los electrones. La excitación térmica de un electrón desde la banda de valencia a la de conducción corresponde físicamente a la supresión de un electrón de la pareja del enlace covalente por medio de la agitación térmica de la red. Por tanto, el electrón se convierte en un electrón libre fuera del enlace covalente de la red y queda disponible para funcionar como portador de carga a fin de conducir corriente eléctrica a través del cristal. Este proceso se describe esquemáticamente en la figura 1, con átomos de Germanio, aunque el patrón de enlaces usado es una versión bidimensional de lo que en realidad es una red tridimensional de enlaces tetraédricos ⁽¹⁾.

Figura 1. Un electrón libre y un hueco producidos por la ionización térmica ⁽¹⁾.

La excitación de un electrón deja un efecto localizado en la estructura de enlace covalente del cristal, que se puede identificar como un estado de banda de valencia que podría ser ocupado por un electrón; pero que en realidad está vacío. Este defecto constituye el hueco. Tanto el electrón libre como el hueco son migratorios; el electrón libre puede vagar dentro del cristal de forma aleatoria, impelido por la energía térmica que pueda adquirir de la propia red. Del mismo modo, el hueco puede desplazarse porque un electrón de un enlace covalente adyacente al hueco puede moverse con suma facilidad hacia el hueco, completando así la pareja de enlace en el sitio original del hueco; pero transfiriendo la ubicación del hueco al sitio de dónde provino el electrón. Esta migración del hueco también puede producirse por una agitación térmica de la red.

Un semiconductor donde los electrones son los portadores de carga mayoritarios que se trasladan por la agitación térmica es conocido como tipo n. Así mismo, un semiconductor donde los portadores de carga mayoritarios que se trasladan son los huecos es conocido como tipo p.

2. Método punta caliente.

Figura 2. Movimiento difusivo de los portadores de carga ^(a).

El mecanismo para el movimiento de portadores dentro del semiconductor es por difusión (ya que el material es uniformemente dopado) debido al calentamiento constante sobre el contacto de la punta de prueba caliente sobre el material. Este traslado de portadores mayoritarios se define a través de la potencia de la señal eléctrica de diferencia de potencial medida en el voltímetro. Si la diferencia de potencial es de polaridad positiva el cristal es tipo p. Así mismo, si la diferencia de potencia es de polaridad negativa el cristal es tipo n.

3. Metodología experimental.

El proceso de verificación del tipo de conductividad se realizó con un sistema ensamblado en el laboratorio el cual se muestra en la figura 3. De forma detallada los instrumentos usados en la experimentación fueron: voltímetro: Multímetro Keithley-2700, la base fría formada por una placa de 3x3 cm², y la punta caliente formada por: un cautín conectado a un reóstato que funciona como un regulador de temperatura, acompañado por una termocupla. La muestra bajo estudio se coloca sobre la superficie de la placa, y sobre esta se coloca la punta del cautín.

Figura 3. Ilustración del montaje experimental - Tipo de conductividad ^(a). (A) Sistema ensamblado. (B) Notacion de polaridades.

Para la obtención de resultados se usó la siguiente metodología:

1. Con la ayuda del reóstato, se empleó 60 V al cautín para establecer 60 °C en su punta (medidos con la termocupla). Esta temperatura está tabulada por el ASTM F42-02 (17).
2. A temperatura ambiente se colocó la punta del cautín sobre la muestra, y se dejó hasta que se estableciera una diferencia de potencial constante como referencia inicial, cercana a 0 V.
3. La toma de datos fue digital. Se midió la diferencia de potencial en función del tiempo de exposición del calor sobre la muestra. Los primeros 20 segundos correspondieron a las medidas a temperatura ambiente. Encendido el reóstato se midió hasta transcurrir los 1800 segundos, determinando así la forma de la zona caliente. Finalmente se apagó el reóstato para la toma de datos en la zona fría, hasta los 3600 segundos. El tiempo experimental total fue de 3600 segundos.

Figura 4. Curva teórica de la medida experimental para el Tipo de conductividad.
^(a)

4. RESULTADOS.

La figura 5 muestra el comportamiento de la diferencia de potencial cuando la temperatura cambia con el paso del tiempo, en muestra de Ag₂PbTe₃ de masa M = 0,4284 ± 0,0001 gr y de espesor t = 0,118 ± 0,001 cm. La curva color roja representa la zona donde la temperatura aumenta hasta llegar a su valor máximo que es de 60 °C y se mantiene constante. Y por su parte, la curva color azul representa la zona donde la temperatura disminuye hasta llegar a temperatura ambiente por equilibrio termodinámico.

Figura 5. Medidas experimentales de tipo de conductividad del Ag₂PbTe₃ ^(a).

El comportamiento de las medidas experimentales muestra que los portadores mayoritarios son trasladados con orientación positiva sobre el cero cuando estos son excitados por el aumento de la temperatura, es decir, que la diferencia de potencial aumenta conforme aumenta la temperatura. Debido a la polaridad positiva (+) con respecto al cero, de la diferencia de potencial con el tiempo (figura 5), la muestra Ag₂PbTe₃ presenta un tipo de conductividad eléctrica tipo-p. Además, respondió con una diferencia de potencial termoeléctrica de V = 0.038 mV a una temperatura de 60 °C, que indica cuán buen conductor termoeléctrico.

5. CONCLUSIONES.

El comportamiento de la diferencia de potencial en función del tiempo, verifica que la muestra Ag₂PbTe₃ presenta una conductividad eléctrica tipo p. Se recomienda, comprobar las posibles aplicaciones como dispositivo termoeléctrico mediante el análisis de las propiedades termoeléctricas del semiconductor estudiado.

Acerca del desarrollo del TEG.

El desarrollo de este TEG contó con la disposición total y exclusiva del tesista Daiver Eduardo Juárez Rangel^(a) para su ejecución, la supervisión en el desarrollo y evaluación de la Tutora académica Dra. Flor Virginia Pérez^(b) y el Co-tutor Dr. Giovanni Marín^(c). Además, del apoyo del grupo laboral y estudiantil que da vida al Laboratorio de Energías Alternativas (LEA) de la Universidad del Zulia (LUZ), y al laboratorio de Estructura e Ingeniería de Materiales Nanoestructurados (LEIMN) del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas en el Zulia (IVIC-Zulia).

Cabe destacar que la donación del compuesto previamente sintetizado es de autoría del co-tutor y del IVIC, y que los instrumentos y/o equipos usados en la experiencia, pertenecen al laboratorio LEA de LUZ.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

(a) Daiver Eduardo Juárez Rangel - Tesista LUZ. Correo: daiverjuarez92@gmail.com - Usuario Steemit: @djredimi2.
(b) Dra. Flor Virginia Pérez - Profesora LUZ. Correo: profa_fvp@gmail.com
(c) Dr. Giovanni Marín - Investigador IVIC. Correo: gmarin29@gmail.com
(1) Mckelvey, John P. (1976). Física del estado sólido y de semiconductores. México. Editorial Limusa. P.281-306.
(2) Golan, G y colaboradores. (2006). “Hot-Probe method for evaluation of impurities concentration in semiconductors”. Holon, Israel. Microelectronics Journal. P.910-915.
(3) ASTM F42-02 International. (2011). “Standard Test Methods for Conductivity Type of Extrinsic Semiconducting Materials”. Pennsylvania, EEUU. P.1-5.

@djredimi2 Te invita a formar parte de la sub-comunidad #stem-espanol, compartiendo temas de interés en Ciencias, Tecnologías, Ingenierías y Matemáticas en idioma Español. Cabe destarcar que debes cumplir con las normas correspondientes, las cuales puedes ubicar en el perfil de @carloserp-2000, quien es miembro de la comunidad #steemstem.