Dopaje de Los Semiconductores

8/19/2019 Dopaje de Los Semiconductores

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Historia de dopaje de semiconductores.

La historia de los semiconductores comienza con experimentos sobre las

propiedades eléctricas de los materiales. Se observaron las propiedades

de coefciente negativo de temperatura de resistencia, rectifcación, ysensibilidad a la luz a partir de principios del siglo XIX.

n !"##, $ichael %araday in&ormó de 'ue la resistencia de los

espec(menes de sul&uro de plata disminuye cuando se calientan. sto es

contrario al comportamiento de sustancias met)licas tales como cobre.

n !"#*, + ec'uerel hizo la observación de 'ue se crea un volta-e

entre un sólido y un electrolito l('uido cuando la luz incide en ellos 'ue

es lo 'ue se conoce como el e&ecto &otovoltaico. n !"# /illoughby

Smith observó 'ue las resistencias de selenio exhiben disminución de la

resistencia cuando la luz incide sobre ellos. n !"0 1arl %erdinandraun observó la conducción y la rectifcación de los sul&uros met)licos,

y +rthur Schuster encontró 'ue una capa de óxido de cobre en los cables

tiene propiedades de rectifcación 'ue cesa cuando se limpian los

cables. +dams and 2ay observaron el e&ecto &otovoltaico en selenio en

!"3.

4na explicación a estos &enómenos re'uiere una teor(a de la &(sica de

estado sólido, 'ue se desarrolló en gran medida en la primera mitad del

siglo XX. n !"" d5in 6erbert Salón demostró la de7exión de los

portadores de carga 'ue 7uye por un campo magnético aplicadoconocido como el e&ecto 6all. n !"* 8.8. 9homson impulsó las teor(as

de la conducción electrónica basada en los sólidos. 1arl aede:er,

mediante la observación de un e&ecto 6all con el signo inverso a la de

los metales, teoriza 'ue el yoduro de cobre ten(a portadores de carga

positivos. 8ohan 1oenigsberger clasifca los materiales sólidos como

metales, aislantes y conductores ; variable; en !*!0. %élix loch publicó

una teor(a del movimiento de electrones a través de celos(as atómicas

en !*<". n !*#=, . >udden declaró 'ue la conductividad en los

semiconductores se deb(a a concentraciones menores de impurezas. n!*#!, la teor(a de bandas de conducción hab(a sido establecida por +lan

6erries /ilson y el concepto de brecha de banda hab(a sido

desarrollado. /alter 6. Schott:y y ?evill %rancis $ott desarrollaron

modelos de la barrera de potencial y de las caracter(sticas de una unión

de metal @semiconductor. Aor !*#", oris 2avydov hab(a desarrollado

una teor(a de rectifcado de óxido de cobre, identifcando el e&ecto de la

unión p @ n y la importancia de los portadores minoritarios y los estados

de superfcie.



8ohn ardeen explico el comportamiento de los semiconductores, cuyas

propiedades cambian dram)ticamente cuando se le aBaden pe'ueBas

cantidades de impurezas. n la década de !*<= se experimento con

materiales comercialmente puros 'ue conten(an proporciones variables

de contaminantes en trazas y estos produc(an di&erentes resultados

experimentales. sto estimuló el desarrollo de me-ores técnicas de

refnación de materiales.

Los dispositivos 'ue utilizan semiconductores &ueron en un principio

construido con base en el conocimiento emp(rico, antes de 'ue la teor(a

de semiconductores proporcionara una gu(a para la construcción de los

dispositivos m)s capaces y confables.

+lexander >raham ell utilizó la propiedad &otosensible de selenio para

&otó&ono transmitir el sonido a través de un haz de luz en el aBo !""=.

n !*=3 68 Cound observa emisión de luz cuando la corriente eléctricapasa a través de cristales de carburo de silicio, el principio detr)s del

diodo emisor de luz. Dleg Losev observa emisión de luz similar en !*<<,

pero en ese momento el e&ecto no ten(a ningEn uso pr)ctico.

Cectifcadores de potencia, usando óxido de cobre y selenio, se

desarrollaron en la década de !*<= y se convirtió en importancia

comercial como una alternativa a los rectifcadores de tubo de vac(o.

n los aBos anteriores a la Segunda >uerra $undial, los dispositivos de

comunicaciones de detección de in&rarro-os y provocaron una

investigación de sul&uro de plomo y materiales de seleniuro de plomo.stos dispositivos se utilizan para la detección de bu'ues y aeronaves,

para telémetros in&rarro-os, y para los sistemas de comunicación de voz.

$uchas investigaciones y el desarrollo de materiales de silicio se

produ-eron durante la guerra para desarrollar detectores de calidad.

Se hicieron muchos es&uerzos para desarrollar un amplifcador de estado

sólido, pero estos no tuvieron éxito debido a la limitada comprensión

teórica de los materiales semiconductores. n !*<< Dleg Losev

desarrollo dos terminales, amplifcadores de resistencia negativa para la

radio. Sin embargo, perecieron en el asedio de Leningrado. n !*<3

8ulius dgard Lilen&eld patentó un dispositivo parecido a un moderno

transistor de e&ecto de campo, pero no era pr)ctico. C. 6ilsch y C/ Aohl

en !*#" mostro un amplifcador de estado sólido utilizando una

estructura parecida a la re-illa de control de un tubo de vac(o F aun'ue el

dispositivo muestra la ganancia de potencia, ten(a una &recuencia de

corte de un ciclo por segundo , demasiado ba-a para cual'uier

<



aplicaciones pr)cticas. n ell Labs, /illiam Shoc:ley y +. 6olden

comenzó a investigar los amplifcadores de estado sólido en !*#". La

primera unión p @n en el silicio &ue observado por Cussell Dhl sobre !*0!,

y se encontró un espécimen sensible a la luz, con un l(mite claro entre la

impureza de tipo p en un extremo y de tipo n en el otro.

n %rancia, durante la guerra, 6erbert $ataré observó amplifcación

entre los puntos de contacto adyacentes en una base de germanio.

2espués de la guerra, el grupo de $ataré anunció su amplifcador ;

9ransistron ; poco después laboratorios ell anunció el ; transistor

Dopaje de los semiconductores.

Clasifcaciones

Dopaje n y p:

1.- dopaje n:

ste procedimiento implica la

sustitución de Si por elementos

vecinos 'ue contribuyen con un

exceso de electrones. Aor e-emplo,

pe'ueBas cantidades de A o +s

pueden sustituir al Si. 2esde A G +s

tienen H electrones de valencia, 'ue

se comportan como el Si adem)s de

un electrón extra. ste electrón extra

contribuye a la conductividad

eléctrica, y con un nEmero

sufcientemente grande de )tomos

de dopante, el material se muestra

la conductividad met)lica. on cantidades m)s pe'ueBas, uno tiene tipo

n extr(nseca de semiconducción. uando n y p son iguales, los

electrones n del donante por lo general totalmente superan el n

intr(nseca y portadores de tipo A, de manera 'ueJ

Los niveles de donantes crearon mediante la sustitución de Si por A o +s

se encuentran -usto por deba-o de la parte in&erior de la banda de

conducción. La energ(a térmica es por lo general sufciente para

promover los electrones donantes en la banda de conducción.

2.-p dopaje:

#



ste implica la sustitución de Si por )tomo

vecino 'ue tiene un electrón menos de Si,

por e-emplo, por o +l. l )tomo

sustituyente crea un ;agu-ero; en torno a

ella, 'ue puede saltar de un sitio a otro. l

salto de un agu-ero en una dirección se

corresponde con el salto de un electrón en

la dirección opuesta. 4na vez m)s, el

proceso de conducción dominante es

debido a la dopante.

Se sabe 'ue la movilidad K es

e&ectivamente independiente de la temperatura por lo 'ue podemos

expresar la concentración de portadores en términos de temperaturaJ

l gr)fco de siguiente muestra una variación t(pica del logaritmo de la

concentración de portadores con la temperatura inversa. + altas

temperaturas pe'ueBa ! G 9M los datos sigue el comportamiento

activado habitual de un semiconductor intr(nseco. + temperaturas m)s

ba-as m)s grande ! G 9M omportamiento extr(nseca dominates.<

0



n un principio, la reducción de las temperaturas en la saturación de los

niveles aceptores o el agotamiento de los niveles de los donantes. Sólo a

temperaturas aEn m)s ba-as no el comportamiento extr(nseca sea el

dominante.

Los dispositivos semiconductores

La union p @ n se &orma cuando se dopan

los dos lados de di&erentes de

semiconductores, respectivamente, con

agu-eros por e-emplo, de +l para el SiM y

electrones por e-emplo, A para el SiM. 4na

de las propiedades de la p @ n unión es

'ue se rectifca @ 'ue permite 'ue una corriente eléctrica 'ue pase

solamente en una dirección.

Objetivo:

l presente traba-o de investigación documental pretende servir como

un acercamiento a los principios &undamentales del dopa-e 'u(mico,

importante proceso en la elaboración de semiconductores.

+ lo largo del traba-o se abordar)n temas tales como los antecedentesdel dopa-e, cómo se ha desarrollado a lo largo de la Eltima mitad del

siglo XX y los primeros aBos de este siglo, las metodolog(as m)s usuales

para su obtención y elaboración, sus aplicaciones m)s comunes, as(

como también la importancia tecnológica 'ue los dispositivos

electrónicos elaborados con base en este tipo de materiales han tomado

en la actualidad.

H



Los temas &ueron investigados para dar a conocer al lector el impacto

'ue tiene en nuestra &orma de vida el proceso de dopa-e y, a través de

dicho procedimiento, la electro'u(mica, ciencia &undamental para el

desarrollo de la humanidad.

Dopaje de semiconductores

Técnicas de Dopaje

omo ya se ha mencionado anteriormente, el dopa-e consiste en la

introducción de impurezas al cristal del semiconductor para cambiar

deliberadamente su conductividad debido a la defciencia o exceso deelectrones.

n la actualidad, se utilizan principalmente cuatro tipos de dopa-e para

la obtención de materiales semiconductoresJ

• 2opa-e total

3



• 2opa-e parcialo 2i&usióno Implantación de ioneso +leaciones

Dopaje total

ste tipo de dopa-e se utiliza generalmente para dopar obleas de silicio

'ue ser)n utilizadas por completo en la &abricación de circuitos

integrados y otros sistemas electrónicos.

l proceso involucrado para lograr este dopa-e se conoce como pitaxia

$etalorg)nica en %ase Napor, o simplemente $DNA $etalorganic

Napour Ahase pitaxyM. La $DNA es un procedimiento por el cual se

lleva a cabo una deposición 'u(mica en &ase vapor con el cual se

produce un crecimiento uni&orme y de poco espesor a partir de una cara

de un cristal de material semiconductor con la misma estructura

cristalina de este.

4na de las venta-as de esta técnica es el alto nivel de control 'ue se

tiene sobre las impurezas en el semiconductor, consiguiéndose al

llevarlo casi hasta su temperatura de &usión y ponerlo en contacto con el

material de base para 'ue, tras un proceso de en&riamiento controlado,

recristalice con la estructura adecuada.

l crecimiento epitaxial se ve &avorecido en compuestossemiconductores originados a ra(z de una reacción en la superfcie de

compuestos org)nicos y metalorg)nicos debido a 'ue estos poseen una

estructura 'u(mica determinada 'ue &unge como base y patrón para la

estructura fnal 'ue ha de tomar el semiconductor.

La &ormación de la capa epitaxial se produce por pirolisis de los

productos 'u(micos constitutivos de la superfcie del sustrato, y el

crecimiento de los cristales se debe a una reacción 'u(mica.

sta técnica es utilizada en una atmós&era de gas a presiones entre!.=== y !==.=== Aa. on este procedimiento se &abrican los l)seres

diodo, las celdas solares y los L2s.



Ilustración 1 Diarama de proceso !O"#$. %uente: &$'& ()*'

$nineerin

Dopaje parcial

n contraste con el dopa-e realizado durante la &abricación de la obleas

de material, donde la oblea entera es dopada, los procesos de dopa-e

parcial @tal y como su nombre lo indica@ son procesos por los cuales

Enicamente se introducen impurezas a una parte en espec(fco del

material.

2i&usión

La di&usión molecular, comEnmente llamada di&usión simple, es un

transporte neto de moléculas de una región con mayor concentración a

otra de menor concentración por movimientos moleculares aleatorios.

l resultado principal del proceso de dopa-e por di&usión es un mezclado

gradual entre los materiales involucrados.

omo e-emplo para ilustrar lo 'ue pasa en la di&usión se puede imaginar

lo 'ue ocurre cuando una gota de tinta se de-a caer sobre un vaso de

agua. La gota de tinta es eventualmente distribuida entre el aguadespués de un cierto lapso de tiempo. n un cristal de silicio, uno

encuentra un enre-ado sólido de )tomos a través de los cuales el

dopante tiene 'ue moverse.

"



Ilustración 2 $n el proceso de di+usión, las impureas aadidasson como la tinta y el material por dopar como el aua. %uente:deviant'/T.

La &orma en 'ue se mueven también puede ser por di&erentes &ormasJ

2i&usión por el espacio vac(o. Los )tomos 'ue se utilizan como

impurezas pueden llenar los espacios vac(os en el enre-ado del cristal.

stos huecos siempre est)n presentes, aEn en cristales Enicos per&ectos.

2i&usión interna entre el enre-ado. Las impurezas se mueven entre y

dentro de los )tomos del material dopado en el enre-ado del cristal.

ambio de lugar. Los )tomos de las impurezas se ubican en la estructura

del cristal y son intercambiados con los )tomos del dopado.

*



La velocidad del proceso de di&usión depende de los siguientes &actoresJ

2opante >radiente de concentración 9emperatura Sustrato Drientación cristalogr)fca del sustrato

9ipos de 2i&usión

2i&usión con una &uente agotable. La di&usión con una &uente agotable

signifca 'ue el dopante est) disponible Enicamente en una cantidad

limitada. $ientras m)s prolongado sea el proceso de di&usión, existir)

una menor concentración en la superfcie, y por lo tanto la pro&undidad

de penetración en el sustrato aumentar). l coefciente de di&usión de

una sustancia indica 'ue tan se mueve en el cristal.

2i&usión con una &uente inagotable. n este tipo de proceso de di&usión

los dopantes est)n disponibles en una cantidad ilimitada, con lo 'ue se

asegura 'ue la concentración en la superfcie permanezca constante

durante el proceso.

!=



Aara los siguientes procesos, las obleas son colocadas en un tubo de

cuarzo 'ue es calentado hasta cierta temperatura.

2i&usión desde la &ase gas. 4n gas portador es enri'uecido con el

dopante deseado, también en &orma gaseosa como por e-emplo &osfna

A6# o diborano <63M, y guiado a la oblea donde el balance de

concentraciones tendr) lugar.

2i&usión con una &uente sólida. ortes transversales 'ue contienen al

dopante son colocados entre las obleas. Si la temperatura del tubo de

cuarzo es incrementada, el dopante cuya &uente son los cortestransversales se di&undir) en la atmós&era. on un gas portador, el

dopante se distribuir) uni&ormemente, y entonces alcanzar) la superfcie

de las obleas.

2i&usión con una &uente l('uida. %uentes l('uidas como bromuro de boro

r# o cloruro de &os&orilo ADl# comEnmente llamado oxicloruro de

&ós&oroM también pueden ser utilizados. 4n gas portador es guiado entre

los l('uidos y en consecuencia transportando el dopante en estadogaseoso.

Implantación de iones

n el dopa-e por implantación de iones, dopantes cargados ionesM son

acelerados en un campo eléctrico e irradiados sobre la oblea. La

pro&undidad de penetración puede ser establecida muy precisamentereduciendo o aumentando el volta-e re'uerido para acelerar los iones.

2ado 'ue el proceso toma lugar a temperatura ambiente, los dopantes

aBadidos anteriormente no pueden ser di&undidos &uera. Las regiones

'ue no deben ser dopadas pueden ser cubiertas con una pel(cula

&otosensible.

!!



4n implantador de iones debe estar compuesto porJ

%uente de iones +celerador Separador por masa

arril de aceleración Lentes Drientadores Dblea

Ilustración 0 $uipo implantador de iones. %uente: Hailbleiter.

Aro&undidad de penetración de los iones en la oblea. n contraste con el

proceso de di&usión, las part(culas no penetran el cristal debido a su

propio movimiento, sino por su velocidad. 2entro del cristal son &renadas

por colisiones con los )tomos del material semiconductor. l impacto

causa daBo a la estructura cristalina dado 'ue los )tomos son golpeados

por de sus sitios, los dopantes por s( mismos se colocan de &orma

intersticial. +h(, no son eléctricamente activos por'ue no existen enlaces

con otros )tomos, lo 'ue puede dar lugar a portadores libres de carga.

Cecubrimiento de la estructura cristalina y activación de dopantes.

2espués de la implantación, solo el HO de los dopantes est)n enlazados

a la estructura. n altas temperaturas de proceso alrededor de !===PM,

los dopantes se desplazan hacia los sitios en el enre-ado. l daBo

!<



causado por las colisiones es curado hacia los H==P. 2ado 'ue el

dopante se mueve hacia dentro del cristal durante altas temperaturas

de procesos, estos pasos son llevados a cabo en un breve periodo.

analización. l sustrato se encuentra presente como un cristal, y

entonces los )tomos del semiconductor son regularmente arreglos en

&orma de canales.

Dopaje por aleacionesAara complementarla, se debe mencionar 'ue, adem)s de implantación

de iones y la di&usión, hay proceso alternativoJ dopa-e usando

aleaciones. 2ado 'ue este procedimiento, sin embargo, trae consigo

desventa-as, tales como grietas en el sustrato, no se utiliza en la

tecnolog(a de semiconductores de hoy en d(a.

&emiconductores con un solo dopante

La sensible dependencia de las propiedades electrónicas, ópticas y

magnéticas de un semiconductor por los dopantes ha proporcionado unextenso rango de &enómenos para explorar y aplicar a nuevos

dispositivos. Cecientemente se ha hecho posible moverse m)s all) de

las propiedades de un con-unto de dopantes para identifcar los e&ectos

de un solo dopante en el desempeBo de un dispositivo comercial, as(

como localmente en las propiedades &undamentales de un

semiconductor. ?uevas aplicaciones 'ue re'uieren el car)cter discreto

!#



de un solo dopante, tales como los dispositivos de un solo spin en el

)rea de in&ormación cu)ntica o transistores de un solo dopante, exigen

centrarse en las propiedades de un dopante espec(fco.

uando se inició la investigación de los semiconductores, los

experimentos de dopa-e rara vez eran reproducibles, llegando al puntode 'ue &(sicos como Aauli llegaron a decir 'ue era una pérdida de tiempo

traba-ar en ellos, pues eran un desastre.

Dcho décadas m)s tarde, la pureza del >e es me-or 'ue ! parte por !=!!

lo 'ue nos de-a un rango de casi * órdenes de magnitud para variar la

concentración del dopante. La pureza del Si es similar. + pesar de este

preciso control, los dopantes siguen -ugando generalmente un rol de

apoyo en los dispositivos actuales, modifcando el potencial 'u(mico del

material. + estos niveles de pureza, cada dopante no intencional esta

promedio m)s de un micrómetro le-os de cual'uier otro dopante nointencional. n estos dispositivos a escala nanométrica se espera no

tener absolutamente ningEn dopante no intencional, y si este dopante

es cuidadosamente controlado, un dispositivo puede ser construido con

un Enico dopante. Q como los )tomos son los blo'ues con los 'ue se

construye la materia, un dispositivo de dopante solitario optoelectrónico

es donde la miniaturización de los dispositivos semiconductores busca

los l(mites establecidos por la naturaleza discreta de la materia.

La detección de las propiedades de los dopantes individuales en

dispositivos ha motivado el diseBo de nuevos dispositivos 'ue re'uieraneste comportamiento.

Las caracter(sticas deseables de un dopante Enico, tales como las

propiedades cuantifcables reproducibles, los hacen ob-etos ideales para

el estudio cient(fco y aplicaciones. Sin embargo, la dependencia de las

propiedades de un dopante Enico generan nuevos retosJ el

comportamiento del dispositivo depende del ambiente local campo

eléctrico, magnético y ópticoM y la posición del dopante dentro del

dispositivo.

RAor 'ué es nuestro en&o'ue en el dopante solitario en un

semiconductor, en lugar de un metal o aislante Aara reducir la

interacción electrónica del dopante con el anftrión, y preservar algunas

de las caracter(sticas del dopante, el anftrión no debe de ser un metalF

la superposición de los estados electrónicos del anftrión y estados de

!0



impureza es muy grande para 'ue una sola impureza domine las

propiedades.

Sin embargo, un aislante de acogida es óptimo, para la permitir la

aplicación de campos eléctricos externos y pares del dopante Enico para

su transporte, el anftrión debe de ser un semiconductor. +s(, laexploración y manipulación de un Enico dopante en un anftrión

semiconductor debe de ser el centro de la investigación de los dopantes

solitarios opto electrónicos.

Los recientes avances cient(fcos han tra(do estas opciones al alcance, a

través de avances experimentales en microscop(a de sonda y la

implantación de una sola impureza.

Las nuevas técnicas son capaces de abordar, manipular e incluso

organizar impurezas individuales. +s( hemos llegado a un punto dondese puede empezar a desentraBar la interacción de una sola impureza

con el ambiente, siendo pioneros de la construcción de dispositivos de

una sola impureza y se puede explorar los procesos &undamentales de la

mec)nica cu)ntica en &orma individual direccionable.

Observando impurezas individuales

La primera observación electrónica de una Enica impureza en un

material semiconductor se hizo en un dispositivo $DS%9 en&riado a

ba-as temperaturas.

4na impureza individual bi@estable cerca del canal de conducción era

responsable del ruido telegr)fco aleatorio. La observación de ruido

telegr)fco aleatorio debido a las impurezas individuales en un

dispositivo nano estructurado es ahora bastante comEn, pero sigue

siendo un desa&(o obtener in&ormación detallada acerca de la propia

impureza responsable.

Aara evaluar las propiedades magnéticas de una impureza individual,

una resonancia magnética puede utilizarse en principio, como se ha

hecho con éxito para detectar spines individuales en )tomos de cobaltoen vidrio.

Sin embargo, la resonancia de spin electrónico local SCM utilizando un

an)lisis punta de la sonda proporciona un en&o'ue m)s atractivo para

investigar y manipular un solo spin.

!H



Las técnicas m)s avanzadas en este momento para la observación de

las impurezas individuales son espectroscopia óptica especialmente

para los centros de ?N en el diamanteM, espectroscopia de transporte en

el silicio nano@$DS%9 y XS9$ de las impurezas de III@N y los materiales

II@NI. La técnica S9$ muestra una gran promesa debido a su resolución

atómica, im)genes de &unción de onda y de las posibilidades de

manipulación de carga y las perspectivas de un an)lisis eléctrico,

magnético y óptico combinado.

Modelización de los estados de impureza

l e&ecto de las impurezas en las propiedades de los semiconductores ha

motivado una intensa investigación teórica desde principios de la

historia del campo. asi de inmediato, se propuso el car)cter esencial de

los estados de impurezas, como estados localizados dentro de una

banda prohibida.

%uertes potenciales de corto alcance son generados desde los niveles

m)s pro&undos de la banda, pueden ser tratados efcientemente usando

técnicas de &unción de >reen para determinar la estructura cercana a la

impureza.

Las transiciones internas entre los estados electrónicos de la impureza

se pueden detectar en una variedad de &ormas en con-untos

macroscópicos, pero recientemente han comenzado a ser observables

en el l(mite de una sola impureza.

ada uno de los en&o'ues es particularmente venta-oso para algunas

combinaciones de impureza@huésped, y desventa-osa para los dem)s.

Aara impurezas superfciales, cuyas &unciones de onda se extienden a

través de millones de sitios de la red, los c)lculos sobre una base

atomista actualmente son computacionalmente intratables, y la teor(a

de la masa e&ectiva es &ormalmente correcta desde el punto de vista de

muchos cuerpos, por lo 'ue es el método de elección.

Surgen desa&(os adicionales cuando la impureza se saca de laconfguración de alta simetr(a 'ue ocupa en el cristal mayor y se coloca

en un entorno m)s comple-o, tal como el confnamiento de un pozo

cu)ntico o de punto, o un campo eléctrico externo aplicado.

Creación de estructuras de una sola impureza

!3



La creación controlada de dispositivos de una sola impureza es uno de

los grandes retos de este campo. La mayor(a de la investigación sobre

impurezas individuales se ha realizado hasta ahora en impurezas

seleccionadas al azar por microscop(a óptica o S9$, o sobre las

impurezas 'ue estaban presentes accidentalmente en la estructura del

dispositivo. 4n método natural para aislar una sola impureza, es

controlar la impureza en un pozo cu)ntico o de un punto cu)ntico, a

través de la cinética de crecimiento.

La implantación de una sola impureza ya ha sido usada para crear

dispositivos activos 'ue involucran dos )tomos de &ós&oro y silicio, pero

la &uncionalidad del dispositivo estaba restringida por la limitada

exactitud de la técnica de implantación.

Interacción con impurezas individuales

La manipulación y detección de una sola impureza est) determinada por

su interacción con el ambiente.

La comprensión de la interacción de una Enica impureza con este

entorno comple-o es esencial, ya 'ue permite el a-uste de las

propiedades de impurezas, as( como la manipulación y detección de

estado.

La interacción de una impureza con el material huésped es, por

supuesto, inscrita &undamentalmente en el modelado descrito

anteriormente. Aor lo tanto nos en&ocaremos en la interacción de la

impureza con otros componentes del ambiente.

Aara hacer uso de las impurezas en un dispositivo activo necesitamos

ser capaces de manipular el estado de la impureza mediante la

interacción con porciones externas controladas del ambiente. Auentes

inducidos por la ionización de impurezas, 'ue se encuentran en la base

de la mayor(a de los dispositivos electrónicos, es probablemente

operación m)s simple. Ionizar una sola impureza re'uiere una ba-a

densidad de la impureza en la estructura del dispositivo o un puente anano escala.

l e&ecto m)s evidente de una impureza al interactuar con la distribución

del campo eléctrico es, por supuesto, su ionización, pero los e&ectos m)s

sutiles 'ue ocurren -usto antes de la ionización, tales como el e&ecto de

un campo eléctrico en la energ(a de enlace y la &unción de onda, son

muy Etiles e interesantes.

!



$)s importante desde el punto de vista del procesamiento cu)ntico, 'ue

es muy Etil para encontrar &ormas de acoplar los campos eléctricos

locales para las propiedades de giro de una impureza. 9al interacción se

predice para un aceptor de $n y un donador de hidrógeno en >a+sF en

ambos casos, la interacción spin@órbita es responsable para el

acoplamiento entre el campo eléctrico externo y las propiedades de

esp(n.

Dtro en&o'ue para el control de las propiedades magnéticas de una

impureza se utiliza para )tomos magnéticos de $n en un punto cu)ntico

d9e. n tal punto la interacción de una sola impureza $n con un

nEmero fnito de portadores de carga, controlado por el puente externo y

'ue reside en el punto, determina las propiedades magnéticas de este

nano sistema.

La excitación óptica es una &orma muy adecuada para manipular ya seauna impureza o su entorno. l campo magnético es otro par)metro

externo conveniente para acoplar las impurezas y controlar las

propiedades magnéticas como espines nucleares cercanos, o el esp(n del

donante o del portador de carga l(mite.

La venta-a de los semiconductores es la &acilidad en la creación de

sistemas de ba-a dimensión, tales como pozos cu)nticos y de puntos

cu)nticos, y esto motiva un estudio del e&ecto de confnamiento en

estados de impureza.

Dispositivos de una sola impureza

Aara cumplir con el desa&(o Eltimo de la &(sica de una sola impureza, la

creación de un sistema &uncional de una sola impureza para un

dispositivo de procesamiento de in&ormación cu)ntica, varias

propuestas se han presentado e investigado.

4n primer paso hacia la aplicación de las impurezas individuales y

de&ectos en los dispositivos ópticos implica la emisión de &otones

individuales disparados. sto se ha demostrado con éxito para ?@aceptores en TnSe pozos cu)nticos y centros de ?N en el diamante. ste

es un primer paso hacia el uso de las impurezas individuales como

&uente de &otón Enico de distribución de clave cu)ntica en la

comunicación segura.

El uturo de dopantes solitarios opto electrónicos

!"



$uchos de los avances descritos anteriormente para las impurezas

individuales en semiconductores se han re7e-ado, tarde 'ue temprano,

en avances similares en la &(sica de los puntos cu)nticos de los

semiconductores de un solo electrón. Los puntos cu)nticos o&recen la

venta-a de 'ue vienen en mEltiples variedades, dependiendo de los

detalles de su construcciónF esto también es su desventa-a. Las

impurezas individuales est)n tal vez m)s adelantadas 'ue los puntos

cu)nticos en )reas donde las técnicas ópticas pueden ser usadas, pero

atrasadas cuando los puentes son esenciales.

Los avances continEan en observación, modelado, manipulación,

creación y dispositivos, en este campo los dopantes solitarios opto

electrónicos parecen estar progresando al punto donde el elemento

esencial de un dispositivo es un solo )tomo de dopante, en contacto con

conductores y puertas, o dirigidos de &orma óptica. sto llevar) a la

comunidad de dispositivos semiconductores al fnal del camino en la

miniaturización de dispositivos.

&emiconductores ornicos 3#0HT4 y una técnica de estudio

electrou5mica: (na +orma de entender y mejorar el dopaje.

Los semiconductores org)nicos combinan las propiedades de lossemiconductores con la capacidad de interacción de las moléculasorg)nicas. Cecientemente, se ha hecho un vasto es&uerzo en laoptimización de sus condiciones &(sicas y propiedades 'u(micas para

aplicaciones de electrónica org)nica. 4no de los intereses prioritarios esentender y me-orar la conductividad eléctrica, siendo esto uno de lospuntos clave en la construcción de dispositivos electrónicos org)nicos.

4na de las maneras de aumentar la conductividad en semiconductoresorg)nicos es a través del dopa-e. omo ya se sabe existen diversasmanerasJ

!. La oxidación 'u(mica reducciónM para p@nM dopa-e.<. La oxidación electro'u(mica reducciónM para p@nM dopa-e.#. 2opa-e por campo inducido en el e&ecto de los transistores del

campo org)nico D%9sM.0. 2opa-e &otoinducido.

Aor supuesto 'ue el tema de importancia es la oxidación electro'u(mica'ue adem)s es de alto interés, ya 'ue proporciona una variación &)cil y7exible sobre los niveles de dopado. Se han desarrollado di&erentesmétodos espectroscópicos utilizados durante la voltametr(a c(clica, cuyamedición permite estudiar la óptica , y los cambios vibracionales yeléctricos durante los procesos de oxidación@reducción en los

!*



semiconductores org)nicos. 9odos estos procesos son importantes paraentender los e&ectos del dopa-e.

n un intento de acelerar la bEs'ueda de nuevos materiales se trata dellevar a cabo una miniaturización 'ue permita reducir dr)sticamente lacantidad re'uerida de productos 'u(micos, pues uno de los mayoresobst)culos es las grandes cantidades 'ue se necesitan para caracterizarlas di&erentes estructuras de muestra de semiconductores org)nicos.sto se puede realizar mediante el empleo de un microscopio esc)ner deceldas de gota S2$ M hacia su aplicación general para todos losmétodos electro'u(micos.

+ continuación se presenta la caracterización electro'u(mica de unsemiconductor org)nico mediante el uso de S2$.

l )rea de medición es de #,< mm< lo 'ue permite la caracterizaciónmEltiple en un sustrato de !H x !H mm<. La cantidad necesaria de la

materia org)nica re'uerida es de menos de ! mg, y menos de ! ml deelectrolito en solución. ste ba-o consumo de los materiales -unto con lagran cantidad de in&ormación obtenida hace reproducible esta técnicapara el cribado de nuevos materiales org)nicos. La &uente consultadapresenta el an)lisis del poli #@hexiltio&enoM, un material utilizado enceldas solares org)nicas.

Material Experimental

Aara el estudio se recomienda utilizar los siguientes reactivos, de lasiguiente &orma, con el fn de volver los datos reproduciblesJ

Se utilizó poli #@hexiltio&enoM *"O, Cie:e $etalesM sin purifcaciónadicional. l pol(mero se disolvió en clorobenceno ** UO, +crosDrganicsM con una concentración de != gGL y en una etapa posterior, sedepositó mediante recubrimiento por centri&ugación en un solo sustratode !H x !H mm< de vidrio G I9D !H X G h, 1intec o.M. +ntes derecubrimiento, el sustrato de vidrio se limpió por sonicación secuencialen acetona, isopropanol y agua desionizada. l espesor de la capa deA#69 &ue de aproximadamente !== nm.

4n blo'ue de pl)stico se utiliza para la f-ación del cuerpo de la celda auna etapa de traslación XQT 'ue se utiliza para mover la punta de la

celda a varios lugares sobre la superfcie de la muestra. La muestra 'uerepresenta el electrodo de traba-o /M se conecta usando una agu-a detungsteno prensado a una pe'ueBa gota de indio InM colocada sobre elsustrato I9D . La celda se construye con un vaso cónico capilar pipetaAasteurM. n la parte superior, un electrolito de entrada se conectamediante el uso de un ! mm de di)metro de tubo de te7ón con elvolumen interior de la celda y se aisla del exterior mediante el uso deuna resina epoxi de dos componentes. 4n electrodo de +g G +gl se

<=



prepara por electrodeposición de +gl en 6l ! $ en un alambre de +g=,H mm de di)metro. l potencial del electrodo &ue de =.<!! N conrespecto al electrodo normal de hidrógeno S6 M.

Ilustración 6 $suema del microscopio

Anl is is sobre el nivel de dopaje en el !"#$

Aara el an)lisis de las propiedades semiconductoras del A#69, se usa un

an)lisis $ott@ Schott:y durante la espectroscop(a electro'u(mica de

impedancia técnica donde a partir de di&erentes di&erencias de potencialestablecidos se mide la &recuencia del espectro de impedancia, muchas

veces también se expresa la interacción del campo eléctrico sobre el

momento dipolar, como permitividadM. 2e acuerdo con esta teor(a, el

inverso de la capacitancia al cuadrado de una capa semiconductora es

proporcional al potencial. +s(, el cambio de la conductividad debido al

aumento en el nivel de dopa-e se re7e-a directamente en un cambio en

la capacitancia. Aor lo tanto, el nivel de dopa-e puede ser estudiado

cualitativamente y cuantitativamente usando este método. Los valores

de la capacitancia del pol(mero se determinaron a partir del A<

medido en los espectros de impedancia mediante el circuito e'uivalente

se utiliza &recuentemente circuitos e'uivalentes para esta técnica sin

limitación en la trans&erencia de masaM mostrado en el gr)fco siguienteJ

<!



Ilustración 7 /esistencia y tiempo euivalente vs +recuencia

La dependencia del inverso de la capacitancia al cuadrado con respecto

a la polarización aplicada se muestra en el siguiente gr)fcoJ

Ilustración 8 )apacitancia al cuadrado vs polariación

2e esa &orma un cambio abrupto en el valor del inverso de la

capacitancia se hace notorio por encima de los =,< N. n todos estosexperimentos no existen procesos de oxidación hasta por encima de los

=,0 N, esa pendiente describe el comportamiento del semiconductor

A#69 antes del dopa-e electro'u(mico. n esa región el A#69 tiene una

conductividad muy ba-a y todav(a puede ser descrito como

semiconductor. 4sando la ecuaciónJ

<<



C A−2=2( E− E fb−

kT

e ) /eε ε0 N D

2onde +@< es el )rea normalizada del inverso de la capacitancia al

cuadrado en cierto potencial, e es la carga, V es la constante dieléctrica

A#69 en el estudio #.HM , V= es la permitividad de vac(o , es el

potencial aplicado y &b es el potencial de banda plana, una

concentración de donantes de !.#x !=!" cm@# se utilizó. sta

concentración de portadores de carga alta est) relacionada con el

ox(geno del aire inducido durante el dopa-e, as( como el auto@dopa-e del

pol(mero en contacto con el electrolito 'ue conduce a la &ormación de

cationes. +hora bien, por encima de =,0 N, se tiene la existencia de otra

pendiente. Sin embargo, ya 'ue se est) describiendo al pol(mero en la&orma oxidada cuyo tratamiento puede ser ya como un metal, el an)lisis

$ott W Schott:y ya no es v)lido.

2e esa &orma se puede conocer la me-or zona en el 'ue el potencial

sugerido como el nivel de dopa-e en el 'ue se encuentra el pol(mero, de

acuerdo al grado de oxidación, por llamarlo de alguna manera,

t(picamente este an)lisis se a través de la corriente 'ue atraviesa el

pol(mero!M permite una mayor conductividad, a partir de por supuesto, la

capacitancia conocida.

$l orien u5mico y estructural en la e9ciencia del dopaje tipo-p

Aara el dopa-e tipo p, el orbital molecular m)s ba-o no ocupado L4$DM

del dopante debe estar cerca al orbital molecular m)s alto ocupado

6D$DM del pol(mero. Idealmente, cada molécula dopante trans&erir(a su

carga completa al semiconductor huésped, y as( la carga podr(a escapar

desde el sitio de &ormación para convertirse en un transportador de

carga libre. l aumento de la densidad de portadores no sólo da lugar a

la me-ora de la conductividad, sino también a la absorción del pol(mero

neutro 'ue hace el material ópticamente transparente en el visible.La capacidad de los semiconductores org)nicos para un dopa-e efciente

es esencial para el avance del campo en la electrónica org)nica y sólo

mediante una me-or comprensión del proceso de dopa-e nuevos

! 2ai Liming, Intelligent $acromolecules &or Smart 2evicesJ %rom $aterials

Synthesis to 2evice +pplications. p)g. 0"M

<#



materiales pueden ser diseBados y divisarse nuevos procedimientos en

la manu&actura. Aara un dopante particular, hay un m)ximo alcanzable

en la efciencia en el dopa-e 'ue est) limitado tanto por el tamaBo del

dopante y la manera en la 'ue se une al semiconductor huésped.

La interacción entre la disolución dopante y la &ormación de comple-osmuestran 'ue el dopa-e se produce de manera efciente cuando se

&orman en disolución comple-os cargados en la misma. Aor e-emplo, el

dopa-e 'ue existe en el A#69, utilizando ,,"," @ tetraciano @ < , #,H,3 W

tetra7uoro'uinodimetano %09? M como dopanteJ

.

+¿

−¿ P3 H T ¿

P3 H T ( dis )+ F 4TCN Q(dis )⇋ F 4TCN Q¿

n una disolución dopante en una disolución no cargada se obstaculizala &ormación de comple-os y por lo tanto reduce la conductividad de la

pel(cula. + continuación se presenta un es'uema de los procesos

intramoleculares 'ue tienen lugar dentro del dopa-e del pol(mero, al

agregar un dopante 'ue puede &ormar comple-os y por lo tanto

aumentar su conductividad.

Aor Eltimo, se comenta 'ue existe una evidencia experimental para la

me-ora en la disociación de portadores de carga a través de la &ormaciónde pol(mero cristalinos. Lo 'ue contribuye en la me-ora de la

conductividad. sto se explica también con la imagen anterior pues

donde existe una mayor conductividad se debe a 'ue los nEcleos del

dopante se les permiten unirse con la existencia de comple-os a las

estructuras cristalinas 'ue dominan la zona.

<0



Aara reafrmar todo esta in&ormación se presentan los siguientes

gr)fcosJ

Ilustración )onductividad del #H0T vs +racción del dopante

n el gr)fco anterior se puede apreciar 'ue se alcanza una

conductividad m)xima de !."< S cm@! para el A6#9 cuando se tiene una

&racción de =.! para el dopante, 'ue en este caso es %09?. Se

considera 'ue es un dopa-e efciente debido a la poca cantidad de

dopante 'ue &ue necesario para alcanzar a la conductividad m)xima.

sto se explica debido a una pro&unda capa L4$D en %09? de H.< eN

'ue se puede traslapar de manera efciente en la capa 6D$D de A#69,

'ue es de H,= eN.

'plicaciones de la dopación de semiconductores

%&' Dopantes dan a celdas solares de (raeno ma)or efciencia&

Se tomaron las venta-as de las propiedades eléctricas y ópticas del

gra&eno y entonces se agregó un dopante org)nico, los resultados

obtenidos &ueron 'ue se logro mayor conversión de energ(a, los

dispositivos sin dopar muestran una conversión en la efciencia del !.*O

y cuando se les dopa la efciencia se incrementa m)s de 0 veces a ".3O

después de la dopación.

<H



Los investigadores,

dirigidos por

Se&aattin 9ongay y

+rthur %. 6ebard en la

4niversidad de

%lorida en

>ainesville, han

publicado su estudio

sobre las celdas

solares de gra&eno de

alta efciencia en un

nEmero reciente de

la revista ?ano

Letters.

;+'u(, no sólo nos hemos aprovechado de la hermosa transparencia

óptica de gra&eno, sino 'ue también hemos reducido la resistencia

eléctrica del gra&eno mediante el a-uste del nivel de %ermi de gra&eno

con una capa de revestimiento org)nico barata y ambientalmente

estable;, di-o 9ongay Ahys.org. ;2urante este paso, la naturaleza nos

&avoreció produciendo una mayor rectifcación y un campo eléctrico en

la inter&ase, me-orando aEn m)s la efciencia de la celda solar;.

n las nuevas celdas solares, una sola capa de gra&eno colocado en la

parte superior de una oblea fna plancha de material semiconductorM desilicio sirve como una unión Schott:y, el componente principal de los

dispositivos &otovoltaicos simples llamadas celdas solares de unión

Schott:y.

a-o iluminación, los pares electrón@hueco son &otogenerados en el

silicio. Los electrones &otogenerados y los agu-eros est)n separados por

el potencial eléctrico de la unión Schott:y y recogidos por el gra&eno de

carga opuesta y contactos semiconductores. ste 7u-o unidireccional de

corriente electrones 'ue 7uye en una dirección y orifcios en el otroM es

una propiedad defnitoria de la unión Schott:y y permite la generaciónde energ(a del dispositivo.

$ientras 'ue las celdas solares de unión Schott:y basados en el gra&eno

'ue se han usado en el pasado, a'u( los investigadores dieron un paso

m)s y doparon al gra&eno con el 'u(mico org)nico 9%S+ usando un

método Simple spin@casting.

<3



l dopa-e permitió a los investigadores a-ustar el nivel de %ermi de

gra&eno una medida de la energ(a potencial de electronesM, estos

resultados dieron lugar a dos cambios importantes para me-orar la

efciencia de las celdas solares.

on su efciencia ",3O, los dispositivos dopados proporcionan uname-ora de la efciencia signifcativa sobre las celdas solares de unión

Schott:y basados en el gra&eno, 'ue hasta el momento tienen efciencias

de conversión de potencia 'ue van desde =,!O a <,"3O.

n comparación con las celdas solares de unión Schott:y 'ue utilizan

óxido de indio y estaBo, los 'ue utilizan gra&eno tienen varias venta-as.

Aor e-emplo, la capacidad de a-ustar las propiedades del gra&eno permite

a los investigadores optimizar la celda solar y el uso de la capa de

gra&eno en otros semiconductores, adem)s de silicio.

Los investigadores esperan 'ue los métodos utilizados a'u(, 'ue son

simples y escalables, pueden dar lugar a nuevas me-oras de dispositivos

y aplicaciones pr)cticas en el &uturo.

;speramos 'ue la efciencia puede ser me-orada aEn m)s por la

ingenier(a de inter&ases, el uso de di&erentes capas de recubrimiento

org)nicos 'ue producen los e&ectos de dopa-e m)s altos, me-oran la

calidad del gra&eno y el procedimiento de trans&erencia de gra&eno,

utilizando capas anti@re7e-o y muchos otros métodos conocidos por la

comunidad de celdas solares ;, di-o 9ongay. ;sto es sólo el comienzo.;

6ebard agregó 'ue nuevos descubrimientos de la &(sica de gra&eno

deben conducir a las celdas solares m)s efcientes y de ba-o costo.

;el poder aumentar la efciencia de conversión descrito con la simple

aplicación de una capa superior org)nica estable es sólo el comienzo;,

di-o. ;l gra&eno y sus derivados siguen sorprendiéndonos con

propiedades inusuales &uerza, 7exibilidad, la barrera de di&usión, la

energ(a de %ermi a-ustable, espectro electrónico lineal, etc.M. +dem)s de

los avances 'ue vendr)n con una mayor comprensión de la &(sica decómo los &otones entrantes crean de manera efciente electrones y

agu-eros, 'ue después se separan y se recogen en la confguración

descrita. ste conocimiento deber(a ser aplicable a la bEs'ueda de

alternativas a sustratos de silicio y pol(meros org)nicos, 'ue son menos

costosos y se pueden aplicar a las )reas grandes.

<



La investigación sobre el gra&eno y sus derivados ya est)n a la

disposición de todos, esperamos 'ue este traba-o sobre las celdas

solares siga adelante.

)onclusionesl desarrollo del dopa-e nació como una ciencia auxiliar. omo una

manera con la 'ue se tratar(a de me-orar la conductividad en materiales

sintéticosJ n general se habla de a'uellos compuestos cuya reolog(a es

complicada, los pol(meros sintéticos. Aosteriormente diversas técnicas

de estudio han

volucionado con el ob-etivo de me-orar la conductividad utilizando la

menor cantidad de dopante existente. Qa sea por el intercambio en el

dopante o por instrumentación, tanto 'u(mica como &(sica.

+s( inicialmente las explicaciones 'ue se ten(an sobre el &enómeno del

dopa-e eran pueriles y sencillas. Cazones dadas Enicamente en modelos

b)sicos y 'ue con el desarrollo de nuevas teor(as atómicas, el dopa-e ha

encontrado su lugar dentro de las sugerencias cu)nticas.

s decir el dopa-e sigue evolucionando con&orme nuevas teor(as y

tecnolog(as se desarrollan. ?o es una ciencia est)tica, sino todo lo

contrario apenas est) en crecimiento.

?o podemos ocultar el hecho de las mEltiples aplicaciones 'ue se hallan

en el dopa-e de semiconductores, pues probablemente materiales 'ue

hasta ahora se cre(an incapaces de transportar corriente eléctrica lo

har)n. Aor lo mismo, los costos de producción de materiales conductores

podr(an reducirse, pues ya no se necesitar(an Enicamente de metales o

semimetales cuya explotación eleva sus precios, sino de materiales

capaces de reproducirse y 'ue 'uiz) much(simo m)s importante de-en

una huella ecológica menor 'ue los procesos actuales.

;ibliora+5a

;2opant gives graphene solar cells highest eYciency yet.; Ahys.org. <!

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1oenraad, A. $. Z %latté $. . <0 de enero de <=!!M Single dopants in

semiconductors, ?ature $aterials 2DIJ !=.!=#"G?$+9<*0=

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Dnline resources &rom the 2epartment o& lectrical, omputer, and

nergy ngineering at the 4niversity o& olorado.

>asioro5s:i, 8. $ardare, +. I. Z others, lectrochemical characterizationo& sub micro@gram amounts o& organic semiconductors using scanning

droplet cell microscopy, 8ournal o& lectroanalytical hemistry <=!#

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Dopaje de Los Semiconductores