Heteroestructura
Heteroestructura és l'unió de dos materials semiconductors distints. Per a això deuen alcançar un equilibri elèctric entre els dos conductors. Es pot definir essencialment com un semiconductor el qual la seua composició elèctrica canvia en una posició.[1][2] L'heterounión és la seua forma més simple.[3][4][2] Les heteroestructuras són de gran importància en la ciència i tecnologia moderna i són el fonament dels transistors d'alta freqüència i dels dispositius optoelectrònics.
Història
En 1947, William Brasford Shockley, l'inventor del transistor, va propondre per primera volta unir varis semiconductors en un sol compost o producte.
El concepte de làser es va inventar en 1958 per Arthur Leonard Schawlow i Charles H. Townes, i Theodore Maiman va construir el primer làser per primera volta 16 de maig de 1960. Despuix d'estos desenrolls, es varen ser elaborant una gran varietat de tipos de làser com el làser d'Heli-Neó (He-Ne), làser de diòxit de carbono (CO2) o el làser semiconductor.
Els científics Zhorés Alfiórov del Institut Físic-Tècnic Ioffe, i Herbert Krömer de l'Universitat de Califòrnia en Santa Bàrbara, varen plantejar dissenyar un làser en 1963 en una doble heteroestructura, és dir, utilisant el concepte d'electrons i buits confinats en el centre d'una guia d'ona òptica en un conjunt de doble heterojuntura.[5][6] És dir, el làser semiconductor de heteroestructura tancada té una zona activa que es troba reduïda a un cos tubular a lo llarc del cos cristalí. Com els materials que rodegen l'unió presenten un índex de refracció menor, es produiran efectes de reflexió total de la llum en l'interior de la zona activa comportant-se esta com una guia d'ona.[7] El primer làser real en este concepte va ser realisat per Izuo Hayashi en 1970.
Anteriorment, els làsers semiconductors elementals no podien resistir altes temperatures que podien generar, no obstant esta nova estructura de semiconductor evitava este problema. D'esta manera, es va conseguir que els làsers semiconductors pogueren funcionar de manera contínua a temperatura ambiente. Açò va permetre posteriorment el desenroll dels primers discs compactes en els anys setanta.[8]
En 2000 es va otorgar el premi Nobel de Física compartit entre els científics Alfiórov, Kröemer pels seus descobriments en heteroestructuras semiconductoras i "la seua aplicació en l'electrònica d'alta freqüència i l'optoelectrònica", junt al científic Jack S. Kilby per la seua contribució a l'invenció del circuit integrat.[9] La major part dels components de l'electrònica en l'actualitat, com a transistors, diodos emissors de llum (LED), fotodetectors, làsers semiconductors o panels solars, es construïxen a partir d'este concepte. Pel seu alvanç en la miniaturisació tecnològica d'estos elements, s'ha conseguit millorar i popularisar els circuits integrats.[2][10][1]
Concepte
Semiconductors
- Artícul principal → Semiconductor.
Un dels fonaments de l'electrònica és l'us dels semiconductors. Els semiconductors tenen la característica de tindre dos possibilitats en la corrent elèctrica, o eviten el seu pas o permeten el pas d'esta en qualsevol direcció. Depén de factors com la temperatura, la llum o la presència d'aditius. Per eixemple, els diodos semiconductors funcionen com vàlvulas, deixen passar la corrent elèctrica solament en una direcció.
Unió PN
- Artícul principal → unió PN.
Una estructura fonamental en electrònica és la coneguda com l'unió PN, principalment en diodos i transistors. L'unió PN es forma en unir dos cristals generalment de silici (Si), encara que també es fabriquen de germani (Ge), de naturalea tipo P -buits en càrrega positiva- i N -electrons carregats negativament- segons la seua composició a nivell atòmic. Estos cristals es modifiquen al dopar cristals de metal pur en impureas de tal manera que s'incrementa la seua conductivitat elèctrica decenes de voltes. Segons es modifiquen estos, els electrons carregats negativament (tipo N) o buits en càrrega positiva (tipo P), podran portar o no càrrega elèctrica. És la base per eixemple de l'energia solar fotovoltaica.
Estos aditius es pot afegir de diferents formes. Per eixemple, per a crear transistors bipolars de silici, que es poden contar per millons en el microprocessador d'un ordenador normal o un teléfon inteligent se sol aplicar l'implantació de iónes: un bombardeig per ions accelerats en el buit.
No obstant, l'unió PN té els seus problemes, un d'ells és la seua baixa resistència en altes temperatures. Fins a en un semiconductor pur, sense impurees, es generen electrons i buits en calfar-se. És dir, si el cristal "oblida" la presència d'aditius o impurees, escomençarà a deixar passar la corrent elèctrica en abdós direccions i no funcionarà. Els làsers en unions PN per a funcionar necessiten una temperatures molt baixes i extremes, com la del nitrogen líquit: −195,8 °C a una pressió d'una atmòsfera. Este defecte o imperfecció en les unions PN i la necessitat general de làsers semiconductors que funcionen a temperatura ambiente, varen impulsar als científics a crear les conegudes aleacions com heterouniones i heteroestructuras.
Heterounión i heteroestructura
- Artícul principal → heterounión.
La heterounión és la forma més simple d'estes estructures i és la cohesió de dos materials semiconductors, dos cristals, diferents per mig d'un contacte ideal, sense clavills o atres defectes.[4] Açò permet generar molts fenomens útils en este nou semiconductor que, a diferència de l'unió PN, les altes temperatures o el calfament casi no influïx en estes estructures, cridades heteroestructuras.[1]
Els semiconductors poden amprar, ademés dels elementals com el silici o el germani, les unions de composts químics dels grups АIIIBV de la taula periòdica, per eixemple, arseniuro de gali (GaAs) o arseniuro d'indi (InAs), aixina com fosfuro d'indi (InP), nitrur de gali (GaN). Unint estos elements i les seues solucions triples, es poden modificar àmpliament les característiques electròniques i òptiques dels dispositius.
Estes heteroestructuras són capaces de millorar l'eficàcia de components semiconductors com els transmissors perque li permeten modificar la seua estructura per a controlar el moviment de les carregues portadores. En l'actualitat, la heteroestructura es forma en un cristal compost per semiconductors heterogéneus de distint tipo. Estos semiconductors s'ubiquen en una estructura o posició concreta disposts en capes i alineats aproximadament en una determinada direcció, coneguda com a direcció de creiximent. A esta classe de configuració de paràmetros se li sol denominar heteroconjunción o heterojuntura.
Referències
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Sputnik (agència de notícies) (ed.): «Dissenye quàntic de heteroestructuras: el futur dels equips electrònics». món.sputniknews.com (24 de juliol de 2018). Consultat el 3 de març de 2019.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Torres García, Jesús Israel(2017).«Heteroestructuras i circuits integrats».Física Atòmica i Matèria Condensada.Facultat de Ciències, U.N.A.M..Mèxic:Consultat el 2 de març de 2019.
- ↑ «heterounión | Real Acadèmia d'Ingenieria». diccionari.raing.és. Consultat el 3 de març de 2019.
- ↑ 4,0 4,1 William, Frensley(15 de maig de 1998).«"Heteroestructure and Quàntum Well Physics"».Heterostructures and Quàntum Devices.Academic Press.Sant Diego:Consultat el 2 de març de 2019.(en en-us)
- ↑ Kröemer, Herbert(Decembre de 1963).«A Proposed Class of Heterojunction Injection Lasers».Institute of Electrical and Electronics Engineers.51(12): 1782-1783.(en en-us)
- ↑ Alfiórov, Zhorés; Kazarinov, Rudolf«Semiconductor laser with electric pumping».30 de març de 1963.(en en)
- ↑ González, Édgar (2003). El làser: principis bàsics, Universitat Sant Tomas, p. 97. ISBN 9789586313216. Consultat el 3 de març de 2019.
- ↑ Horiuchi, Noriaki(1 de maig de 2010).«Milestone 15. (1970) Semiconductor lasers. Lasers for the masses».Nature.doi:10.1038/nmat2652.
- ↑ Aya Baquero, Hugo(30 de novembre de 1999).«Aspectes del desenroll de heteroestructuras semiconductoras usades en electrònica d'alta freqüència i optoelectrònica».Revista Ingenieria.Universitat Distrital Francisco José de Caldas.: 108-113.doi:10.14483/23448393.Consultat el 3 de març de 2019.
- ↑ Meléndez Lira, Miguel(Giner-Febrer, 2001).«Premie Nobel en Ciències 2000: Física».Alvance i Perspectiva vol. 20.Consultat el 2 de març de 2019.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Heteroestructura» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.