Características fotoeléctricas de una unión p-n de semiconductores

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

El dominio de los procesos de síntesis y crecimiento de materiales semiconductores es una herramienta súper importante para mis actividades de investigación científica, porque me ofrece la materia prima para el diseño y construcción de los distintos dispositivos optoelectrónicos.

 Esquema para las medidas del Voltaje de Circuito Abierto (Voc) y de la Corriente de Corto Circuito (Isc)

Al tener disponible cualquier tipo de material semiconductor podemos realizar una variedad de mediciones estructurales, ópticas, eléctricas, dieléctricas, magnéticas, térmicas, etc, que constituyen una caracterización jerárquica desde la básica hasta de aplicación tecnológica diversa y amplia.

1. El semiconductor se puede colocar en un portamuestra sin cableado (sin conexión eléctrica) y realizar una serie de mediciones: FT-IR, Raman, Absorción Óptica, composición química (estequiometría), impedancia-capacitancia entre placas paralelas en función de la frecuencia, entre otras caracterizaciones.
2. Si le colocamos unos contactos eléctricos sobre su superficie podemos medir su resistencia eléctrica y calcular su resistividad eléctrica, si le hacemos incidir un haz de luz se puede estudiar su fotoresistencia, su respuesta a la iluminación como material fotoconductor.
3. Al formar un diodo de barrera Schottky, con la unión Metal-Semiconductor (M-S) o Metal-Semiconductor-Metal (M-S-M) también se puede estudiar su foto-respuesta para determinar su posible aplicación como sensor óptico en diversos rangos de longitudes de onda de la fuente de iluminación.
4. Otra configuración de unión de materiales semiconductores es la unión p-n, que no es otra cosa que un semiconductor con huecos como los portadores mayoritarios (+) predominantes, conocidos como semiconductores tipo p (conductividad eléctrica tipo p) y otro semiconductor con los electrones (-) como los portadores mayoritarios, denominado como semiconductor tipo n.
5. En esta configuración se puede estudiar la respuesta del dispositivo al exponerla a una fuente luminosa, obteniendo parámetros medibles como el voltaje y la corriente generada al incidir una radiación de fotones (foto-respuesta), la que puede ser considerada como una respuesta FOTOVOLTAICA.
6. También se puede estudiar la unión p-n en modo FOTOCONDUCTOR o fotodetector para obtener el tiempo de respuesta, responsividad, la sensibilidad, detectividad y su variación respecto a la longitud de onda de la radiación incidente.

https://youtu.be/FoYP0kLC5_M Medición del voltaje de circuito abierto en un dispositivo de unión p-n de semiconductores.

El estudio de la foto-respuesta de un dispositivo optoelectrónico, como un diodo de unión p-n, es importante para determinar su aplicación tecnológica, tanto en modo fotovoltaico o modo fotoconductor. En este video vemos cómo medir la variación del voltaje de circuito abierto Voc cuando cambiamos la intensidad de la fuente de iluminación.

 Dependencia del V_oc con la densidad de potencia óptica del LED

Al iluminar el dispositivo de unión p-n a diferentes intensidades de iluminación del LED de luz blanca, se observa una variación no lineal del voltaje de circuito abierto, que está relacionado con la diferencia de potencial entre los electrodos positivo y negativo de la unión cuando no existe circulación de corriente electrica I = 0 A (fotocorriente).


He notado que cuando pasa el tiempo a una determinada densidad de potencia óptica del LED sobre el dispositivo de unión p-n, el voltaje de circuito abierto va disminuyendo levemente hasta un valor de estabilización de ± 4 mV en 5 minutos.

Fotocorriente

En un dispositivo que tiene una respuesta fotovoltaica cuando se hace incidir una radiación luminosa, es importante conocer el valor de la corriente máxima generada bajo esas condiciones de irradiancia, pues nos permitirá calcular la potencia eléctrica máxima que puede generar este dispositivo optoelectrónico.

La corriente en cortocircuito (Isc) depende fundamentalmente de 2 factores: la intensidad de la fuente luminosa y de la configuración misma de la unión p-n, esto es que dependerá de las propiedades intrínsecas de los semiconductores con conductividad eléctrica tipo p y tipo n.


La fotocorriente máxima generada cuando no existe carga de consumo entre los terminales positivo (p-CuInTe₂) y negativo (n-CdS) del dispositivo tiende a incrementarse levemente al transcurrir el tiempo, estabilizándose en ± (-43.73 µA) en 5 minutos.

 En ambos casos, se observa un incremento relativo en los parámetros "voltaje de circuito abierto" y "corriente en cortocircuito", tal como se presenta en la siguiente figura:  La potencia de salida del dispositivo en modo de efecto fotovoltaico es cero en ambos puntos individuales relacionados con la corriente de cortocircuito (I_sc)^V=0V y la tensión de circuito abierto (V_oc)^I=0A. Sin embargo, necesitamos conocer (calcular) el producto matemático de estos 2 parámetros, que le asignaré el nombre de potencia eléctrica global máxima que el dispositivo puede entregar cuando se quiera usar en modo fotovoltaico, así P_T = I_sc × V_oc


Recordemos que existe un parámetro llamado Factor de Llenado (FF) que corresponde a la relación entre la potencia máxima del dispositivo (Pmáx) entre la potencia eléctrica global: 

Aportes de esta publicación.

Con un material semiconductor, tal como el Silicio o el Germanio se pudieron desarrollar innumerables dispositivos optoelectrónicos que hasta la fecha son utilizados en equipos electrónicos básicos y de avanzada tecnología, de allí que sea importante estudiar su comportamiento ante los estímulos externos de radiación luminosa y térmica. Pienso que el comportamiento eléctrico de este tipo de unión p-n en función de la irradiancia de una fuente de luz puede indicarnos el campo de utilización de otro dispositivo optoelectrónico como el p-CuInTe₂/n-CdS.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Panel fotovoltaico

○ ¿Qué es el I_sc de un panel solar? ¿Cómo se mide el I_sc?
○ Corriente de Cortocircuito
○ Voltaje de circuito abierto
○ Factor de llenado

En nuestra comunidad se promocionan y se valoran las publicaciones de alto impacto relacionados con Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas, dale clic a la etiqueta #stemsocial, para que te enteres de nuestro trabajo de calidad científica!