Semiconductores, Investigación en Ciencia y Tecnología

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

 Desde finales del año 2018 he estado colaborando en un Proyecto de Investigación relacionado con la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, y para mi mayor sorpresa, el comienzo es desde 0, o sea cero. Ya estoy acostumbrado a iniciar proyectos de investigación y desarrollo científico-tecnológico, los cuales tienen un factor común; iniciar la dotación del laboratorio con las técnicas y equipos especializados para alcanzar nuestros objetivos. En esta publicación les mostraré un soporte fotográfico de los avances alcanzados durante este primer semestre del año 2019. 

Dentro de la temática desarrollada puedo resumirla con los siguientes puntos:

Materiales
Semiconductores

Síntesis y
crecimiento de semiconductores

Caracterización
estructural, óptica y eléctrica

Prototipos de celdas
solares

Proyecto de Dispositivos de Conversión de Energía

Y es que la historia de mi pasión por el estudio de los Materiales Semiconductores data desde el momento que viajé desde La Universidad del Zulia en Maracaibo hacia la Universidad de Los Andes en Mérida en búsqueda de un tema de tesis para mi Licenciatura en Física. Mi Tutor me explicó enseguida de dónde viene el carácter semiconductor de algunos elementos químicos de la tabla periódica y las aleaciones de estos elementos.

Silicio y Germanio, los semiconductores primarios. Fuente: @iamphysical

Con el desarrollo de las investigaciones se consideraron los compuestos binarios y ternarios que modificaban ciertos parámetros físicos de estos materiales abriendo un amplio campo de investigación y planteamiento de nuevas líneas de investigación. En mis inicios como Investigador Científico me dediqué a estudiar los semiconductores ternarios de cobre, ya que era parte del proyecto financiado a mi Tutor. Con el pasar del tiempo fui abriendo y explorando nuevos campos y ahora también trabajo con los semiconductores binarios con aplicaciones en sensores y fotovoltaica.

Diagrama de fases de la aleación ternaria y PPV de varios elementos. Fuente: @iamphysical

En publicaciones anteriores les había comentado la importancia de la selección de la técnica de síntesis o crecimiento de materiales semiconductores, ya que su impacto sobre las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas de estos compuestos son extremadamente dependientes de la metodología aplicada!

Proceso de síntesis de semiconductores. Fuente: @iamphysical

Ya se pueden imaginar los resultados preliminares, muestras obtenidas en corto tiempo, pero se estima que los análisis no puedan ser reproducibles en la mayoría de los casos.

Crecimiento de semiconductores. Fuente: @iamphysical

El enfoque de los fabricantes de equipos tecnológicos es el de obtener materiales con características estables y reproducibles, y así garantizar la calidad de sus productos. Las técnicas para lograr esta meta son muy especializados y requieren la inversión de grandes cantidades de dinero, pero surge la interrogante ¿desarrollo e innovación tecnológica sin inversión?, y es que con sólo sentarse en un escritorio a planificar y llevar a cabo una idea, ya es una inversión de tiempo!

Como dato resaltante, la mayoría de los compuestos ternarios de Cobre tienen una estructura cristalina relacionada con la tetragonal-calcopirita, y en casos excepcionales se encontrarán materiales cúbica-zincblenda. ¿cuántos sistemas cristalinos existen?

Brecha de energía de semiconductores ternarios. Fuente: @iamphysical

La importancia de esta caracterización óptica es determinar la estructura de las bandas de valencia y conducción, así como la existencia de niveles energéticos entre ellas. Ya es bien conocido que el valor de la brecha de energía debe estar dentro del rango de 1,1 y 1,8 eV para aprovechar la máxima irradiancia solar y obtener el mayor rendimiento de conversión solar a eléctrica.

Resistividad eléctrica y concentración de portadores. Fuente: @iamphysical

La caracterización eléctrica de los materiales semiconductores se ha convertido en el punto central de investigaciones para la aplicación de estos compuestos binarios y ternarios en dispositivos fotovoltaicos, en particular, y optoelectrónicos, en general.

Configuración geométrica para la caracterización de eléctrica. Fuente: @iamphysical

Se requiere obtener la mayor conductividad eléctrica y una concentración de portadores que faciliten la movilidad de las cargas eléctricas dentro del dispositivo y gracias a las investigaciones realizadas durante el siglo pasado, la mayoría de estos parámetros eléctricos pueden mantenerse dentro de un rango deseado controlando la temperatura de recocido en ambiente controlado con gases inertes o en la presencia de otros elementos químicos.

La investigación básica de semiconductores es una etapa muy importante para tener una visión clara sobre las posibles aplicaciones en las áreas de ambiente, salud, conversión y almacenamiento de energía, así como sensores para la detección de contaminantes ambientales o de irradiancia lumínica. 

APORTES DE ESTA PUBLICACIÓN:  La síntesis y caracterización de semiconductores es  una área muy amplia y requiere de técnicas y equipos especiales para obtener los parámetros físicos y químicos que enfoquen la aplicación en dispositivos optoelectrónicos, así que este artículo puede ofrecer al lector una visión básica pero amplia de los semiconductores. Ya saben mi pasión por esta línea de investigación y aunque parezca algo irracional, sigo pensando en un semiconductor como un ente capaz de reaccionar ante los estímulos: temperatura, corriente, voltaje, presión e iluminación, entre otros factores externos

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Semiconductores
○ Semiconductor Devices
○ Tesis de Grado, Giovanni Marín, fondo documental Nº 09-51, 1996, LUZ.
○ Conoce sobre los semiconductores
○ Introduction to Semiconductors
 

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