poli semi

Complementos de Química Inorgánica y Analítica
DQIAQF
Problemas
1er cuatrimestre 2003
Serie N° 10
Sensores, transistores y otros dispositivos
Objetivos:
→ 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
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Ejercicio 3
a) ¿En qué "sitios de adsorción" se adsorbe O2(g) al ponerse en contacto con una superficie de SnO2?
b) Por lo general se admite la formación de O- en dichos sitios, mediante los siguientes pasos:
O2(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 SnO2 cuando se introduce O2(g) en una cámara donde se había
hecho vacío?
c) Si ahora se adiciona CH4, el cual es parcialmente adsorbido:
CH4 +S { } → S {CH4}
Escriba la reacción que ocurre entre CH4 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 P02, y que
PCO2 Y PH2O 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 PCH4.
Ejercicio 4
El TiO2 y el ZrO2 se pueden usar como materiales para sensores de O2, 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.
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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 NO2(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 NO2 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 O2?
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, SiO2 y Si, indicando que capas se ponen en contacto.
Identifique VG e ID.
b) ¿Cómo es la curva característica de ID en función de VG?
c) ¿Cuál es la reacción catalítica que ocurre cuando se expone la superficie de Pd a H2(g)? ¿Por qué y cómo
se modifica la curva característica ID-VG?
Ejercicio 10
El SiO2 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 SiO2 puede haber en 1 nm de espesor?
b) ¿Qué efecto sobre las propiedades de conducción del SiO2 predice la mecánica cuántica
capas de 1 nm?
al
considerar
c) Suponga que desea utilizar otro óxido en lugar de SiO2. ¿Por qué razón tecnológica es tan difícil evitar la
presencia de SiO2 en un MOSFET?
d) Un proceso posible para controlar la concentración de SiO2, 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 SiO2 por el método sol-gel.
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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 ≅ 10-10 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 Nao 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.
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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
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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
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
Alta
Baja
No importa
b) ¿Cuál de los siguientes materiales piensa que es apropiado para tal fin?
Material
Egap /eV
CdS
2.4
BaTiO3
3.2
As2Se3
2.6
ZnO
3.0
α-AgI
2.7
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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?
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Figura 1
Figura 2
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