Serie N 10 Sensores, transistores y otros dispositivos

Transcripción

1 Objetivos: Serie N 10 Sensores, transistores y otros dispositivos Conocer el funcionamiento de algunos sensores comerciales y experimentales. Estudiar las características y utilidad de las diferentes clases de junturas (SC-SC, SC-M y M-M). Analizar el funcionamiento de los transistores y diodos y relacionarlo con su uso en la industria de la electrónica. Estudiar algunos dispositivos electrónicos de uso habitual donde se ve la importancia de las propiedades de los materiales que se emplean en su funcionamiento. Bibliografía: Ellis, B. et al. Teaching General Chemistry. A material Science Companion. Americal Chemical Society (1993). Introducción a la Física del Estado Sólido; C. Kittel. Contenidos: Junturas SC-SC, SC-M y M-M. Sensores. Transistores. Diodos. Dispositivos combinados. Sensores Ejercicio 1 Entre las técnicas más utilizadas para depositar películas de materiales activos como sensores o como partes de dispositivos electrónicos (transistores, diodos, etc.) se encuentran los conocidos con las siguientes denominaciones en inglés: -Sputtering - CVD - RTG - spin-coating - Immersion Describa someramente cada una de dichas técnicas Ejercicio 2 a) Esquematice la superficie de un semiconductor policristalino como formado por cristalitas, entre las cuales hay una barrera de potencial de contacto. b) De qué orden de magnitud son las dimensiones de - las cristalitas? - la longitud de Debye de los portadores? c) Qué influencia espera que tenga la relación entre dichos parámetros en el proceso de conducción

2 Ejercicio 3 a) En qué "sitios de adsorción" se adsorbe O 2 (g) al ponerse en contacto con una superficie de SnO 2? b) Por lo general se admite la formación de O - en dichos sitios, mediante los siguientes pasos: O 2 (g) + 2S{ } 2S {O} 2S{O} + 2e - 2S {O - } donde: S{ } = sitios de adsorción desocupados, S {X} = sitios de adsorción, ahora ocupados por la especie X. Qué ocurre con la conductividad superficial de SnO 2 cuando se introduce O 2 (g) en una cámara donde se había hecho vacío? c) Si ahora se adiciona CH 4, el cual es parcialmente adsorbido: CH 4 +S { } S {CH 4 } Escriba la reacción que ocurre entre CH 4 y O - en la superficie del semiconductor. (Este proceso es lo que se conoce como la actividad catalítica del sensor) d) Suponiendo que las concentraciones superficiales de S{O} y S{O - } son constantes, al igual que P0 2, y que PCO 2 Y PH 2 O son despreciables, estime la dependencia que el mecanismo anterior predice entre la concentración superficial de electrones atrapados o liberados en la superficie por las reacciones anteriores, [e-] y PCH 4. Ejercicio 4 El TiO 2 y el ZrO 2 se pueden usar como materiales para sensores de O 2, pero los mecanismos involucrados son diferentes a los del problema anterior. Cuáles son esos mecanismos y cómo diseñaría un dispositivo con estos compuestos? Ejercicio 5 El n-cdte posee en la superficie una alta densidad de estados electrónicos localizados llenos y cercanos a la banda de valencia (ver figura). Si ahora se adsorbe sobre dicha superficie un ácido carboxílico cuyo LUMO es cercano en energía al nivel de Fermi, Ef, del n-cdte, describa: - Cómo se modifica la posición energética de los estados electrónicos superficiales del semiconductor por la adsorción del ácido? - Discuta cómo se podría utilizar la adsorción superficial de moléculas orgánicas en la superficie de n-cdte para modificar las características de un dispositivo electrónico.

3 Ejercicio 6 Considere un sensor capacitivo de moléculas polares. Por ejemplo se desea detectar la humedad ambiente, RH, utilizando un sensor capacitivo cuya parte activa es un film delgado de polysiloxano. Por qué cambia la capacidad, C, del film al cambiar RH? Aumenta o disminuye C al aumentar RH. Ejercicio 7 Las ftalocianinas (Pc) son sólidos semiconductores tipo p, cuyo radical catión tiene un espectro de absorción diferente. Se utilizan films de Pc como sensores de NO 2 (g) a) Indique el proceso involucrado en el funcionamiento de tales dispositivos. b) Qué propiedades hacen que las Pc sean ideales para obtener films por CVD? c) Qué propiedad de las Pc podría usar para sensar trazas de NO 2 disuelto en solución? d) Con qué dispositivo determinaría el espesor del film durante el proceso CVD y qué parámetro necesita? Ejercicio 8 a) Cuál es el mecanismo de funcionamiento de un sensor por "onda evanescente"? b) Cuál es el principio de funcionamiento de un fluorosensor de O 2? c) Cómo es el diseño de un espectrofotómetro de "arreglo de diodos"? Transistores Ejercicio 9 a) Realice un esquema de un MOSFET formado por Pd, SiO 2 y Si, indicando que capas se ponen en contacto. Identifique V G e I D. b) Cómo es la curva característica de I D en función de V G? c) Cuál es la reacción catalítica que ocurre cuando se expone la superficie de Pd a H 2 (g)? Por qué y cómo se modifica la curva característica I D -V G? Ejercicio 10 El SiO 2 es el material que se utiliza como la capa aislante en prácticamente todos los MOSFET que se construyen. Considere ahora los problemas relacionados con la miniaturización de los dispositivos integrados. Por ejemplo, actualmente se busca desarrollar MOSFETs con láminas del orden de 1 nm de espesor. a) Cuántas capas atómicas de SiO 2 puede haber en 1 nm de espesor? b) Qué efecto sobre las propiedades de conducción del SiO 2 predice la mecánica cuántica al considerar capas de 1 nm? c) Suponga que desea utilizar otro óxido en lugar de SiO 2. Por qué razón tecnológica es tan difícil evitar la presencia de SiO 2 en un MOSFET? d) Un proceso posible para controlar la concentración de SiO 2, al tiempo que se lo reemplaza parcialmente por otro óxido aislante, es utilizar el proceso sol-gel para depositar films de geles inorgánicos. Describa las reacciones de hidrólisis y condensación que dan lugar a la formación de un gel de SiO 2 por el método sol-gel.

4 Problema 11 En un trabajo reciente (JACS l18, 3930 (1996)) Yamamoto y cols. estudiaron algunas propiedades eléctricas y ópticas de polímeros de quinoxalina. Una parte importante del artículo está consagrada al sistema: La caracterización de películas de dicho polímero fue realizada fundamentalmente por via espectroscópica. La figura 1 presenta el espectro de absorción UV/visible/NIR obtenido. La medición de la conductividad eléctrica a temperatura ambiente arroja σ Ω -1 cm -1. Figura 1 a) Proponga un diagrama de bandas cualitativo que explique el espectro de absorción y la conductividad eléctrica medida. Qué tipo de comportamiento eléctrico exhibe el polímero: conductor, semiconductor o aislante? (en que caso de escoger las dos últimas opciones, indique el valor del band-gap correspondiente. b) Cómo explica el hecho de que la conductividad del polímero dopado con Na o aumente hasta 1,2 x10-4 Ω -1 cm -1? La segunda parte del trabajo apunta a la potencial utilización de dicho polímero en dispositivos. Los autores contruyeron dos montajes diferentes: La figura 2 presenta las curvas "corriente vs potencial" obtenidas en ambos casos. La figura 3 muestra los espectros de luminiscencia correspondientes.

5 Si Yamamoto pretendiera vender a la compañía donde Ud. trabaja los derechos de tales polímeros, aduciendo que pueden utilizarse como LEDs rectificadores de corriente, etc. Cómo respondería Ud. al siguiente informe técnico pedido por el gerente. d) El polímero puede / no puede utilizarse como rectificador? e) El montaje I es superior / igual / inferior al montaje II como rectificador? f) Los LEDs que resultan del montaje I emiten luz de color.... Los LEDs que resultan del montaje II emiten luz de color.... g) Para su uso en visores, el LED... es preferible al otro. Ya fuera del informe técnico: h) Interprete los resultados del punto f) (figura 3); vincúlelos con lo expuesto en el punto a). Dispositivos electrónicos Ejercicio 12 a) Se requiere un electrodo conductor que sea transparente a la luz visible. Qué material de los siguientes utilizaría para construirlo? Metal Frec. Plasma (ev) Semeconductor Band Gap (ev) Cu 2.0 Ge 0.7 Au 2.45 GaAs 1.5 Ag 3.8 ZnSe 2.8 TiO2 3.2 b) Cómo combinaría dos de los materiales de la tabla para construir un electrodo conductor que deje pasar luz de longitud de onda entre 450 y 500 nm? c) Cómo haría para que los semiconductores aumenten su conductividad eléctrica? Ejercicio 13

6 Se busca un material para fotocopiadoras que sea capaz de intervenir en el proceso xerográfico, como se muestra en el siguiente diagrama: a) Carga del material b) Formación de la imagen "latente" c) Revelado d) Transferencia al papel e) Fusión de la tinta f) Limpieza del toner sobrante g) Borrado de la imagen latente El material se carga por la aplicación de un campo eléctrico. Al ser iluminado en forma selectiva (la parte escrita del papel a fotocopiar no refleja la luz, sino que la absorbe), las zonas iluminadas se descargan eléctricamente (fenómeno de fotoconductividad). Se forma así una distribución de carga que es una imagen especular de la hoja a fotocopiar. El toner es esparcido luego, y queda pegado por interacción electrostática en las zonas que no fueron iluminadas (y por lo tanto quedaron cargadas). Luego, por medio del calor y de un procedimiento similar al usado en las imprentas, el toner es transferido al papel sobre el que se quiere imprimir. a) Cuál de las siguientes propiedades le interesan para seleccionar dicho material? Propiedad Alta Baja No importa Conductividad eléctrica Conductividad iónica Fotoconductividad Permitividad eléctrica Susceptibilidad magnética Absortividad en el visible Absortividad en el UV Absortividad en el IR Constante piezoeléctrica Luminiscencia en el visible b) Cuál de los siguientes materiales piensa que es apropiado para tal fin? Material CdS BaTiO 3 As 2 Se 3 ZnO α-agi E gap /ev

7 Problema 14 a- Explique (desde el punto de vista de los materiales empleados y sus propiedades ópticas) el funcionamiento de una pantalla de TV común. b- Los cristales líquidos (CL) son compuestos que presentan, bajo ciertas condiciones de temperatura y presencia de solventes, fases intermedias entre las de un sólido cristalino (ordenado) y un líquido isotrópico (desordenado). En particular en las fases nemáticas las moléculas que lo constituyen tienen un orden de posición y orientación parcial como el que se ejemplifica en la fig. 1, y presentan un alto grado de fluidez. En la actualidad se utilizan mucho los materiales del tipo CL con propiedades ópticas y eléctricas adecuadas para aplicaciones en pantallas planas (TV, computadoras portátiles, calculadoras, etc). Indique: i- Qué características deben tener los materiales para ser adecuados en este tipo de sistemas? Qué ocurre con las moléculas orientadas entre 2 superficies, cuando se aplica una diferencia de potencial entre las mismas? ii- Explique cómo funciona un display de CL del tipo guest-host. Figura 1 Problema 15 En la actualidad se utilizan mucho las celdas solares para la obtención de energía eléctrica, tanto en pequeña escala para calculadoras de bolsillo como para abastecimiento de energía en zona aislada donde no llega la red eléctrica común. Una parte importante de su funcionamiento está basado en celdas solares. a- Esquematice un circuito eléctrico equivalente apropiado que represente el funcionamiento de una celda solar e indique el significado de cada parte del mismo. b- Grafique cualitativamente como influye la resistencia interna del diodo sobre la eficiencia total de la celda (curva corriente voltaje). c- Se dispone de 2 celdas una de Si y otra de GaAs, en un gráfico V vs I señale los puntos de máxima para cada una. Justifique. Problema 16 Los alambres fabricados con una aleasión NiTi (1:1) tienen la propiedad de poder recordar la forma con la que han sido originalmente moldeados. Para analizar el fenomeno se debe tener en cuenta que el material sufre un cambio de fase debido a la temperatura y/o presión (stress mecánico) en el cual se produce un dezplazamiento reversible de las posiciones atómicas en el cristal como lo muestra la figura 1. La fase estable a alta T es la austenita (estructura de CsCl, rígida y de baja densidad) y a baja T martensita (estructura de CsCl deformada, flexible y de alta densidad). La transición térmica ocurre a T cercana a la ambiente. La figura 2 esquematiza las transformaciones de esta aleasión. a- Explique como funciona la memoria. b- Cómo se le puede cambiar la forma a estos materiales permanentemente?

8 Figura 1 Figura 2