Para entender, por que los portadores de carga de los semiconductores orgánicos, son diferentes que los de los semiconductores inorgánicos, hay que tener en cuenta que cuando un semiconductor inorgánico se dopa, los átomos dopantes que son los encargados de aportar los electrones o los huecos, también son los que sufren los mayores cambios energéticos, conduciendo esto a que la estructura de los enlaces en estos materiales no cambie. En contraste, en los semiconductores orgánicos, como dice Oscar Larsson[37], tanto en el dopado electroquímico como en el dopado químico, no se introducen átomos en la cadena principal del semiconductor y por lo tanto al no haber átomos que soporten los cambios energéticos creados en la formación de los portadores de carga, el desequilibrio es soportado por la estructura misma del semiconductor, provocando cambios estructurales en esta. Para entender bien este fenómeno miremos la figura 1. En esta figura se esquematiza en (B) un cristal de silicio el cual es dopado con fósforo (P), y se puede observar que la estructura de los enlaces no varia, ya que el desvalance se da en el átomo de fósforo y la estructura original del cristal sigue siendo la de menor energía.
Figura 1. Estructura de un cristal de Silicio.
Sin embargo en la figura 2, se ve en (E), que en un semiconductor orgánico, al crearse un portador de carga, ya sea por dopado químico o electroquímico, se genera un desequilibrio en el lugar donde se formo, que en su caso es la estructura principal del semiconductor. Aquí se observa que el polímero al ser oxidado (retiro de un electrón), origina según Oscar Larsson[38], la formación de un catión (carga positiva) y un radical (electrón desapareado) y por lo tanto la desaparición del enlace p. El que el enlace p desaparezca, conduce a que la longitud del enlace entre los dos átomos de carbono aumente (ver figura 2 E), además al quedar los átomos de carbono sin sus capas llenas son muy inestables y en consecuencia, la molécula en busca de mayor estabilidad, reorganiza su enlaces, como se ve en (F).
Ud se preguntará ¿Cómo se lleva a cobo todo este fenómeno?. Para responder a esta pregunta observemos la figura 3.
Figura 3. Energía contra distancia del radical-catión.
En esta figura el círculo negro al lado izquierdo representa la distancia y la energía del catión- radical cuando se encuentran juntos, como en la parte (E) de la figura 2. En esta instancia el conjunto catión- radical es muy inestable (posee mucha energía potencial eléctrica) y en pro de la estabilidad se separan, pero durante su separación, cambian la configuración de los enlaces de los monómeros que quedan entre ellos, debido a que cambiar la estructura de los enlaces es mas estable que si el catión y el radical se trasladaran sin cambiar los enlaces. Ud, se preguntará, ¿Por qué es más estable?. La respuesta la obtenemos estudiando la figura 4. En esta figura vemos un polímero conjugado oxidado, en donde en (A), las partículas (catión y radical) no cambian los enlaces, y por lo tanto el total de enlaces dobles es de 4, mientras que en (B), las partículas cambian la configuración de los enlaces, y el total de enlaces dobles es de 5, por lo tanto, al tener (B) mayor número de enlaces dobles es más estable, debido a que el enlace doble al estar compuesto por enlaces s y enlaces p, es muy fuerte.
Figura 4. Estructuras de enlaces.
Sin embargo cabe recordar que una estructura que no este oxidada, como la (C), es mas estable que las dos anteriores (tienen mas enlaces dobles), y esta, se presenta en el resto del polímero que no esta oxidado. En este orden de ideas y recordando que para separar algo muy estable hay que suministrar mucha energía, seguramente Ud. se debe preguntar ¿Cómo es posible que el radical y el catión se separen, si están en medio de una configuración de enlaces más estable?, y la respuesta, es que se separan debido a que la energía inicial es muy grande, lo que les permite abrirse campo entre una configuración tan estable, pero durante este proceso la energía se relaja, hasta llegar a un punto determinado en donde la relajación a sido tanta, que ya no hay energía suficiente para que el radical y el catión se sigan apartando uno del otro, punto este en el cual el radical- catión ha alcanzado la mayor estabilidad, quedando confinado en medio de una barrera de potencial, originada por la mayor estabilidad de la configuración de los enlaces circundantes. Teniendo en cuenta lo anterior, vemos que en un semiconductor orgánico, los portadores de carga no se presentan simplemente como electrones o huecos, sino que debido a la inestabilidad producida en el dopaje, los portadores de carga en estos semiconductores son un conjunto mucho mas complejo, conformado por una carga (electrón o hueco) y un radical, en medio de los cuales, se presenta una configuración de enlaces menos estable que la del semiconductor no dopado.Habiendo entendido, por que en los semiconductores orgánicos, los portadores de carga son diferentes, entraremos ahora a clasificar los diferentes tipos de portadores de carga que se forman en este tipo de semiconductores.
Transporte electrónico de carga
En el capitulo dos, estudiamos el modelo de transporte de carga y observamos que este se caracteriza por que el movimiento de los portadores se da mediante el modelo de bandas intramolecularmente, pero mediante hopping (saltos cuánticos) intermolecularmente. En este numeral, conociendo ya el modelo de transporte y los portadores de carga, observaremos como se da la conducción en estos semiconductores.
Puesto que en la práctica, según Oscar Larsson[42], los semiconductores orgánicos más utilizados son los de estado base no degenerado, serán los que utilizaremos para ilustrar el movimiento de los portadores de carga a través de una muestra polimérica, con lo cual quedara claro el transporte de cargas. En la figura 6, se observa una cadena de PEDOT, la cual ha sido doblemente oxidada y por lo tanto sus portadores de carga son bipolarones positivos. Estos al ser sometidos a un campo eléctrico, se mueven en la dirección de este, como un paquete que altera la posición de un enlace simple y uno doble, como si estos se movieran a lo largo de la cadena principal. Para entender este mecanismo, tengamos en cuenta primero que los semiconductores orgánicos según Daniel James Ulinski[43], mantienen la electroneutralidad mediante iones que ocupan los espacios de carga, y por lo tanto, si el espacio de carga (enlace simple) esta ocupado, este no puede participar en la conducción, debido a que el ion no permite que dicho enlace simple se convierta en enlace doble, lo cual es indispensable, ya que para que el bipolaron se mueva nesecita intercambiar los enlaces. Sin embargo cuando se aplica un voltaje, el polímero en un extremo es reducido (se introducen electrones), lo cual retira el ión del espacio de carga y el bipolaron impulsado por el campo se mueve a lo largo del semiconductor. (Ver figura 29).
La figura 6 nos muestra el movimiento de un portador de carga intramolecularmente, pero como ya sabemos estos portadores de carga con el fin de tener una muestra macroscópica semiconductora, tienen que trasladarse entre moléculas, lo cual ejecutan mediante hopping como muestra la figura 7.
Fuente: LARSSON, Oscar. Empirical parameterization of organic electrochemical transistors.[en línea].s.l.: Universidad de linköpings. Junio de 2004. <www.ep. liu.se/exjobb/itn/ed/2004> [consulta: Oct 2004].
Aderlis S. Marquez G.
Electronica del Estado Solido
http://www.monografias.com/trabajos67/electronica-organica/electronica-organica3.shtml
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