Nanotecnología y Nuevos Materialeslos Nanomateriales Autor: Felipe A. Rodríguez Y. ___________________________ Fecha de elaboración: 15-06-2015 Propiedades Ópticas de Calf.: Módulo: X TAREA Nro. 7 Propiedades Ópticas de los Semiconductores Las propiedades ópticas están relacionadas de manera estrecha con las propiedades eléctricas y electrónicas del material. Al momento de hablar acerca de propiedades ópticas estamos hablando acerca de la forma en que la materia interactúa con la radiación electromagnética, por ejemplo, si se tiene una onda electromagnética que choca contra un cuerpo, esta podría ser reflejada (especular o difusamente), refractada (transmitida) o absorbida. Dicho de manera más simple, una parte del espectro será absorbida mientras que otra será dispersada (en cualquier dirección). Cuando los semiconductores absorben fotones, se forman los exitones. Los exitones son el estado de un electrón y un hueco que se encuentran ligados debido las fuerzas de Coulomb [1]. Estas propiedades son muy importantes en un semiconductor debido a que sus propiedades de transporte dependen de ellas, un ejemplo de esto son las bandas de valencia (que también dependen de otros factores como la temperatura y el dopaje). Ya se había discutido en trabajos anteriores que la diferencia entre las bandas de valencia en un conductor, semiconductor y aislante era simplemente el tamaño de la misma. Poder explicar la banda de valencia de un semiconductor es bastante complicado, se debe saber que los diagramas de bandas de energía están formadas por múltiples bandas algunas de las cuales están vacías y otras que están llenas, sin embargo en la figura 1 se puede observar un modelo simplificado que describe a un semiconductor en el que E v es el borde de la banda de valencia, Ec es el borde de la banda de conducción y E vacuum es el nivel de vacío [2]. Fig1. El diagrama de bandas simplificado se usa para describir los semiconductores [2]. Cabe mencionar que gracias a las técnicas de fabricación de nanomateriales ya discutidas anteriormente, se pueden diseñar bandas de energía que se ajusten a una aplicación en específico, esta es una ciencia denominada 1 Estas intercaras suelen estar clasificadas en tres tipos [5]: - - - Tipo I: La bandas de energía menor queda completamente abarcado por la banda de energía mayor. esto sucede debido a que las heterouniones se realizan entre materiales que tienen una constante de red bastante parecida (pero no iguales). cabe añadir que el mantener huecos y electrones juntos puede aumentar la eficiencia en dispositivos como LEDs o Láseres [6]. cuando el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la banda de valencia ocurren al mismo número de onda (cantidad de ondas en una distancia especifica) se tiene un semiconductor de banda de energía directa. Es por las características nombradas anteriormente que los pozos cuánticos suelen ser utilizados en dispositivos optoelectrónicos. Tipo III: El desfase que se produce debido a la diferencia de las constantes de red provoca que ninguna banda de energía se superponga. esto debido al aumento del confinamiento de energía. este desfase provoca que tanto los electrones como los huecos tiendan a moverse hacia el lado opuesto de la intercara [5]. el semiconductor dominante en el mundo de la tecnología es el Silicio. pero no igual). en los que un semiconductor de banda directa proveerá una absorción o emisión de luz mucho más eficiente que uno de banda indirecta. aunque se produce un solapamiento de la banda de valencia de uno de los materiales con la banda de conducción del otro [5]. Algo muy importante es que la banda de energía permite la clasificación de los semiconductores. en este tipo de intercara los electrones se moverán hacia el material que la menor banda de conducción [5]. En la figura 2 se puede observar la absorción óptica de un conjunto de pozos cuánticos con distinto ancho (en Ångstroms) para distintas longitudes de onda [6]. Las intercaras o heterouniones es uno de los tantos factores que puede afectar las estructuras de las bandas de valencia de los semiconductores. caso contrario se conoce como semiconductor de banda de energía indirecta. esto debido en parte a la excelente calidad que se puede lograr con la heterounion (intercara) entre Silicio/Oxido de Silicio [4].Nanotecnología y Nuevos Materiales los Nanomateriales Propiedades Ópticas de Ingeniería de Bandas. Como un ejemplo para demostrar las propiedades ópticas de los semiconductores es necesario hablar acerca de los pozos cuánticos. El Germanio y el Silicio son un buen ejemplo de semiconductores con banda de valencia indirecta. en los cuales la absorción o transmisión (reflexión) óptica se debe a transiciones entre las subbandas de huecos y electrones. mientras que el Arseniuro de Galio tiene una banda directa [3]. Esto es muy importante en dispositivos opto electrónicos. Conforme aumenta el confinamiento los exitones se vuelven más comunes debido a que los huecos y los electrones se encuentran más cercanos que en un material bulk. Tipo II: Se produce un desfase en la banda de energía (recordemos que una heterounion se realiza con materiales que poseen una constante de red parecida. Las transiciones de energía se incrementan cuando el pozo cuántico se hace más angosto. Sin duda alguna. 2 . Las investigaciones en los últimos 10 años han estado orientas al uso de nanoalambres de Sulfuro de Cadmio (semiconductores) como foto detectores.Nanotecnología y Nuevos Materiales los Nanomateriales Propiedades Ópticas de Efectos Intrínsecos y Extrínsecos Las propiedades ópticas presentes en los semiconductores tienen su origen en los efectos tanto intrínsecos como extrínsecos. si bien estos nanoalambres no tiene una respuesta (aumento y disminución de corriente) tan rápida como los fabricados de Óxido de Zinc. en un semiconductor con muy alta pureza los exitones pueden incluso. en este caso [8]. Cuando un haz de luz entra en un foto detector su energía provoca la excitación de los electrones de la banda de valencia del semiconductor hacia la banda de conducción. debido a esto la corriente aumenta en dicho dispositivo. 210 y 140 Ångstroms [6]. Las propiedades extrínsecas se deben ya sea a las impurezas o al dopaje que se realiza a un material e influyen tanto en la absorción óptica como en la emisión. En la figura 3 se puede observar la fotorespuesta de un nanoalambre de Sulfuro de Cadmio debido al estímulo de una fuente de luz. Las propiedades intrínsecas de un semiconductor están relacionadas con la pureza del mismo. Este aumento de electrones en la banda de conducción produce (aparte del aumento de corriente) un aumento de la conductividad del semiconductor. semiconductor [8]. las transiciones ópticas intrínsecas tienen lugar entre los electrones en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia. Absorción óptica de un pozo cuántico con anchos de 4000. nótese la velocidad de respuesta del Fig2. Se debe tomar en cuenta que existen exitones libres y exitones ligados. Es debido a estas propiedades que existen los estados electrónicos de los exitones que pueden estar ligados a un receptor o donador ya sea neutral o cargado [7]. es en este tipo de efectos que se incluyen los efectos exitonicos debido a la interacción (fuerzas) de Coulomb. Fotoconductividad Se puede definir la fotoconductividad como la conducción eléctrica debida a la excitación de electrones en los que la luz es absorbida. encontrarse en estado de excitación [7]. las investigación se centran en mejorar estos tiempos de respuesta. 3 . Spectroscopy of Nanomaterials [Online]. Optical Properties. Bibliografía: [1] Jin Zhong Zhang.in/~anandh/MSE694/courseMSE694/NPTEL_Optical %20properties%20of%20Nanomaterials. en el eje de las ordenadas se tiene la corriente en nA y en el eje de las abscisas el tiempo en segundos [8].ac.pdf 4 . Fotorespuesta de un nanoalambre de Sulfuro de Cadmio a la luz visible.Nanotecnología y Nuevos Materiales los Nanomateriales Propiedades Ópticas de Fig3.iitk. Disponible en: http://home. pdf [7] Chennupati Jagadish.htm#fig2_3_7 [3] Dr.Nanotecnología y Nuevos Materiales los Nanomateriales Propiedades Ópticas de [2] B.wisc. [6] Oxford University. Semiconductor Surfaces / Interfaces [Online]..physics.html [5] Senen Barro et al. Pág. Photoconductivity of Semiconducting CdS Nanowires [Online].physics.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.edu/cpac/_files/docs/kasia_lectures/3opticalproperties.colorado. 2006. Thin Films and Nanostructures: Processing. Pág. Elsevier.uk/sites/default/files/BandMT_07. Fundación Dintel. Van Zeghbroeck. Fronteras de la computación.uwyo. Disponible en: http://www2. Properties and Applications. Disponible en: http://uw.ac. Chapter 2: Semiconductor Fundamentals [Online].ox. Zinc Oxide Bulk.pdf 5 . Disponible en: http://www. Disponible en: http://ecee. Katarzyna Skorupska. 2002. 104 – 106. Handout 7: Bandstructure Engineering [Online]. Disponible en: http://www.org/Vol2/05Milam.edu/~himpsel/semicon. [8] Jonathon Milam.pdf [4] Franz Himpsel.nu-nanoscape. 175 – 176. Optical Properties of Semiconductors [Online].
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