Explicación de la resistencia de contacto eléctrico sobre semiconductores

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

Los dispositivos optoelectrónicos funcionan en un amplio rango de longitudes de onda, corrientes eléctricas, voltajes y temperaturas, pero se debe tener precaución en el ensamblaje del dispositivo para que soporte los cambios mecánicos externos para evitar un daño irreparable. Si se manipula el dispositivo durante la caracterización eléctrica suele ocurrir una fractura por presión, sobrecalentamiento cuando aumentamos la temperatura del sistema o que se queme si se sobrepasa el límite de corriente eléctrica.

En este artículo dedicaré algunas líneas para explicar la importancia del contacto eléctrico sobre una muestra de semiconductor que se utiliza como dispositivo optoelectrónico y donde se necesita eliminar la resistencia de contacto producida por un metal soldado, evaporado o pintado sobre la superficie del semiconductor, para la cual existe una diferencia en la función de trabajo y afinidad electrónica muy remarcada.

La idea de un contacto eléctrico es literalmente conseguir un "contacto directo" entre los alambres conductores con el extremo metálico que toque (o se una) al material semiconductor para aprovechar sus propiedades intrínsecas. En la fotografía se observa que el alambre superior no está en contacto con la muestra (paralelepípedo) y no habrá conducción de los portadores de carga, no se cierra el circuito eléctrico.

Preparación de la superficie del semiconductor para el contacto eléctrico

Hace unos 5 años, mi estudiante de Licenciatura en Física publicó un artículo sobre los contactos óhmicos aplicados a estudios de resistividad eléctrica de materiales Semiconductores hace énfasis en la barrera de potencial que se forma en la unión metal-semiconductor, es decir en la interfaz del alambre-contacto metálico-semiconductor.

En principio, la superficie del semiconductor se rebaja y aplana con una lija N° 1000, 1500 y 2000 granos de carburo de silicio por pulgada cuadrada, luego se pule con alúmina en polvo de 5 y 1 micrómetro. Se puede sumergir en acetona o alcohol para eliminar residuos o impurezas. La formación de una capa de óxido sobre la superficie del semiconductor puede hacer más difícil la adherencia del contacto metálico y cuando se mide la resistencia eléctrica del semiconductor de 1 ohm (Ω) puede llegarse a medir 1 KΩ, producto de esa resistencia de contacto que no es más que un contacto imperfecto.

La teoría sobre los contactos óhmicos o rectificantes tipo Schottky está muy bien desarrollada y no caeré en la tentación de ponerme a dar una explicación sobre este tema, sólo rescataré la importancia de un detalle técnico para la caracterización eléctrica, que es necesario hacer fluir una corriente eléctrica a través del semiconductor en una dirección (I⁺) que ofrezca la menor resistencia (sin la componente de la resistencia de contacto) y que cuando cambie de sentido (I^-) la corriente eléctrica, se obtenga el mismo valor de resistencia. Lo que medimos es el voltaje positivo para I⁺ y un voltaje negativo para I^-.

Contacto metálico

La pintura de plata es una herramienta que uso de manera frecuente para realizar un contacto eléctrico de manera rápida y fácil para una primera aproximación del valor de la resistividad eléctrica de cualquier semiconductor. Este tipo de contacto puede eliminarse con acetona y colocarse en cualquier posición sobre la superficie del material a estudiar.

La resistencia eléctrica de una línea de pintura de plata al secar es menor a 1 Ω y se adhiere relativamente bien a la superficie del semiconductor. El detalle es que se esparce ampliamente y en realidad se requiere que sea puntual para el drenaje de los portadores de carga eléctrica o para inyectar el flujo de corriente eléctrica. En las fotografías que incluyo en este trabajo se pueden ver los contactos que realicé con la pintura de plata.

Cuando el contacto eléctrico va a quedar permanentemente sobre el dispositivo, lo más conveniente es la soldadura térmica de estaño (232 °C) o indio (157 °C), que pueden realizarse con el uso de un cautín por su punto de fusión bajo. El aluminio funde a 660 °C y se procede por compresión del alambre sobre la superficie del semiconductor. Este procedimiento permitirá trabajar a altas temperaturas, pero existe alta probabilidad de originarse una resistencia de contacto a pesar que cuando se realice la característica corriente-voltaje obtengamos una dependencia lineal correspondiente a unos contactos óhmicos.

En la actualidad, tengo paralizada una medida de resistividad y efecto Hall en una muestra de Cu-Ga-Te debido a que la resistencia de contacto incrementa el valor de la resistencia eléctrica real de 14 Ω hasta 0,16 MΩ. Una manera de disminuir el aporte del contacto de aluminio en la resistencia total es mediante un tratamiento térmico de recocido a alta temperatura, pero con el riesgo de alterar las propiedades intrínsecas del material semiconductor por el reordenamiento de los átomos dentro del cristal.

En la muestra de "preparación de contactos eléctricos" se aprecian alambres de aluminio presionados sobre la muestra y también unos 5 puntos de pintura de plata para probar la adherencia. En la fotografía insertada se ve una oblea de Cu-Ga-Te con 4 contactos de aluminio para la caracterización eléctrica por el método de van der Pauw montado sobre un portamuestra de 6 contactos.

El contacto eléctrico también puede ser por contacto a presión, tal como los contactos pogo pin que tienen un resorte que presiona la punta redondeada y con una capa delgada de oro para mejorar la conducción eléctrica.

La interface, o en español interfaz, hace alusión a la superficie de contacto entre la sección metálica "alambre conductor más el contacto metálico" con la superficie del material semiconductor o dispositivo terminado.

Cuando esta superficie de contacto no es afectada por la difusión de portadores del contacto metálico no se crea la "zona muerta" con variaciones en la resistencia.

La limpieza de la superficie del semiconductor unido con la pureza del contacto metálico, más la eliminación de óxidos producidos por la alta temperatura del cautín hará posible la obtención de una resistencia eléctrica más precisa de la muestra estudiada, donde el cumplimiento de la Ley de Ohm, para cierto rango de inyección de corriente eléctrica, nos permitirá caracterizar eléctricamente al semiconductor. Luego veremos si la creación de un dispositivo (como un LED) tendrá un comportamiento de contacto rectificador del tipo Schottky, donde la resistencia eléctrica es mayor en un sentido de la corriente eléctrica que en el sentido contrario.

Aportes de esta publicación

Los mecanismos de conducción eléctrica en un dispositivo optoelectrónico es de vital importancia para su utilización en la industria electrónica por la estabilidad de sus propiedades y reproducibilidad de sus características ópticas y eléctricas a temperatura ambiente o con variaciones en las condiciones ambientales de trabajo. A pesar que los contactos eléctricos que he presentado en este artículo no son los mejores, estéticamente hablando, me han permitido obtener algunos resultados preliminares sobre el comportamiento eléctrico de varios semiconductores.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Resistencia de los Contactos

○ Resistencia de contacto
○ Caracterización Eléctrica de Contactos de Aluminio
○ Contactos óhmicos aplicados a estudios de resistividad eléctrica
○ Técnica de Van der Pauw
○ Contactos Pogo pin

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