Caracterización eléctrica de un compuesto semiconductor/ preparación de la muestra para el cálculo de resistividad eléctrica usando el método de barra (4 puntas)

Siguiendo la misma linea de publicación, desde que comencé a publicar una breve introducción de los semiconductores(1), luego una breve reseña teórica importante para poder comprender el significado de un semiconductor, es decir toda la física envuelta en ello (2) (3) (4), desde cómo preparar una muestra semiconductora comenzando por su crecimiento (5) (6) (7) (8), hasta finalmente llegar a explicar sus diferentes tipos de caracterizaciones, ya sea estructural (9), análisis cualitativos (10) (11) (12) y eléctrica (13). Hoy quiero compartir una de las propiedades fundamentales en el estudio de estos materiales que sirven de punto de partida para luego aplicar en diferentes áreas tecnológicas. Si no tuviéramos conocimientos de esta propiedad eléctrica seria difícil de aplicar como por ejemplo: fabricación de paneles solares, celdas fotovoltaicas, emisores de luz, transistores y diferentes dispositivos optoelectrónicos.

Es de aquí que comienza este interesante mundo de los semiconductores, sin obviar primeramente su etapa de crecimiento y posteriormente evaluar todas las propiedades físicas necesarias que nos den resultados concluyentes donde podemos analizar para que sirve dicho material analizado.

En mi post anterior explico como determinar el tipo de conductividad eléctrica de un semicondcutor mediante el "método de punta caliente". El segundo paso para el estudio de las propiedades eléctricas de estos compuestos es calcular la resistividad electrica y esto se realiza a través de diferentes métodos muy conocidos (método de barra, Van der Pauw y el efecto Hall).

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Comenzaré con el método de barra...

Pero antes que nada debemos saber los siguiente:

Wikipedia define la resistividad eléctrica de la siguiente forma:

La resistividad eléctrica (también conocida como resistividad, resistencia eléctrica específica o resistividad volumétrica) es una propiedad fundamental que cuantifica la fuerza con la que un material determinado se opone al flujo de corriente eléctrica. Una resistividad baja indica un material que permite fácilmente el flujo de corriente eléctrica. La resistencia es comúnmente representada por la letra griega ρ (rho). La unidad SI de resistividad eléctrica es el ohmímetro (Ω⋅m). Como ejemplo, si un cubo sólido de material de 1 m × 1 m × 1 m tiene contactos planos en dos caras opuestas, y la resistencia entre estos contactos es de 1 Ω, entonces la resistividad del material es de 1 Ω⋅m.

Este experimento relativamente simple proporciona información importante sobre la energía de activación y la concentración de los principales portadores de carga (electrones, tipo n, huecos, tipo p). Donde la corriente eléctrica (I) circula por una barra semiconductora a la que se realizan contactos eléctricos como se muestra en la siguiente figura 1.

^{Figura 1. Disposición experimental del método de barra}

La resistividad eléctrica de un material es muy importante para la aceptación de compuestos semiconductores, su determinación es ampliamente utilizada para propósitos de control de calidad. Este método de prueba es ampliamente utilizado para hacer mediciones de rutina. Estos procedimientos se aplicaron inicialmente a semiconductores como el silicio y el germanio y trajeron excelentes resultados que contribuyeron a un método eficaz para medir la resistividad en otros semiconductores.

En general, las mediciones de resistividad son más confiables cuando se miden en monocristales, ya que con este material las variaciones en las impurezas que afectan la resistividad son menores. La segregación de impurezas ubicadas en los límites de grano en el material policristalino puede conducir a grandes variaciones en la resistividad. Tales efectos son comunes a cualquiera de las mediciones pero son más severos con el método de cuatro sondas, y su uso, por lo tanto, no se recomienda para un material policristalino.

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Método de 4 puntas

Preparación de la muestra.

En un post anterior explique como se prepara una muestra de un compuesto semiconductor, si desea saber más en detalle puede darle click aquí y leer la publicación.

A continuación explicaré brevemente cómo debe prepararse una muestra para realizar medidas de resistividad eléctrica por el método de 4 puntas.

Ahora bien en principio la muestra del compuesto semiconductor debe prepararse de la siguiente forma:

Se toma una pequeña porción de la muestra se corta en forma de un paralelepípedo (figura 2).

^{Figura 2. Ejemplo de un paralelepípedo.}

Posteriormente al tener la muestra en la forma que deseamos se debe pulir hasta que la misma en su superficie muestre un tono brillante, con la finalidad de que las mediciones no presenten errores significativos debido a la rugosidad o deformación de la muestra, o alguna otra impureza.

Luego se procede a soldar las 4 puntas en la superficie de la muestra en forma de paralelepípedo. Es recomendable utilizar alambre de cobre ultrafino ya que como todos conocemos este elemento es un excelente conductor y son fáciles de adherir a la muestra del material semiconductor. Para realizar la soldadura debes usar pequeños trozos de indio, debemos calentar con un cautin hasta alcanzar su punto de fusión donde el indio se derrite y finalmente se coloca el alambre de cobre sobre la muestra y encima del mismo un punto de indio que sostenga dicho alambre.

^{Figura 3. Ejemplo de como debe colocarse los contactos eléctricos de indio en la muestra semiconductora.}

Al finalizar la preparación correspondiente, esta muestra en forma de paralelepípedo debe montarse en una baquelita como se muestra en la figura 4, luego los alambres de cobre se deben conectar a otro alambre de cobre de un mayor grosor, a este alambre se conectan los respectivos cables de corriente y el voltaje que envian la señal al equipo que registra los datos de medición. La baquelita se usa como aislante y como guía para trabajar cómodamente y obtener mediciones precisas.

^{Figura 4. Muestra del compuesto semiconductor colocada en la "baquelita".}

^{Figura 5. Montaje real de la muestra en la "baquelita".}

Otro detalle sumamente importante es que la muestra semiconductora es muy pequeña, el compuesto que se observa en la foto mide aproximadamente 1.5cm de largo, 0.7cm de ancho y 0.15 cm de alto. Lo que significa que el procedimiento es bastante dificultoso, se necesita tener un microscopio para poder observar bien al momento de colocar los contactos de indio.

Es importante de igual forma realizar bien todo este procedimiento de lo contrario las medidas presentaran resultados no deseables, lo primordial es realizar una buena pulitura de la muestra, así como también colocar bien los contactos de indio para que la corriente y voltaje puedan circular de forma correcta en la muestra.

En el siguiente post explicaré con lujos de detalles el montaje experimental para poder calcular la resistividad eléctrica en función de la temperatura.

Espero ós gustase mi post ;)