Propiedades dieléctricas en semiconductores: Capacitancia vs Temperatura

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

Desde hace 32 años tengo contacto directo con los materiales semiconductores, por lo qe en algún momento me atreví a tratar a un semiconductor como un ente capaz de responder a estímulos de agentes físicos como la luz, el calor, el voltaje o el magnetismo. Por lo que en este artículo les presentaré algunos resultados de la caracterización dieléctrica de algunos materiales compositos con óxido de grafeno y gel, específicamente la dependencia de la capacitancia en paralelo y coeficiente de disipación en función de la frecuencia a diferentes temperaturas.

Muchas propiedades físicas y químicas de los materiales individuales o formando un conjunto de dispositivo optoelectrónico puede experimentar cambios significativos con la temperatura, ya sea disminuyendo hasta nitrógeno (77 K) o helio (4 K), también aumentando por sobre la temperatura ambiente (300 K), considerando el punto de fusión para no dañar la muestra o a temperaturas intermedias donde se puede dar un cambio de estructura en el estado sólido.

En este caso particular, nos centraremos en el estudio de la capacitancia en paralelo de un capacitor de placas paralelas con un dieléctrico intermedio que puede variar en función de la temperatura debido a una variedad de factores físicos y estructurales. Estos factores incluyen el tipo de material dieléctrico utilizado (nanopartículas de óxido de grafeno dispersado en un sustrato gelatinoso compacto) y las propiedades eléctricas de los materiales conductores presentes en el composito. En general, las variaciones en la permitividad dieléctrica (ε = C_pd/A) del material entre las placas del capacitor y las variaciones en sus dimensiones físicas podrían ser responsables de los cambios en la capacitancia con la temperatura.

Normalmente la capacitancia de un material dieléctrico se ve afectada con los cambios de temperatura, por lo que es imprescindible en el campo de aplicación tecnológica el estudio de las propiedades dieléctricas y analizar cualquier variación de la constante dieléctrica o de la permitividad del material dieléctrico.

Condiciones experimentales

Para realizar esta experiencia he utilizado un horno tubular Nabertherm B 180 provisto con un control de temperatura y una termocupla que mide la temperatura en el centro del horno. A pesar que el control no es PID (Proporcional-Integral-Diferencial) sino uno de potencia On-Off (enciende-apaga), mantiene el incremento de temperatura muy estable cuando la razón de calentamiento es < 60 ªC/h. El portamuestra que consta de 2 placas paralelas de acero inoxidable de 2 cm de ancho por 2 cm de largo y < 1 mm de espesor estaba conectado a los terminales del equipo de impedancia LCR, un Hioki IM 3570 Impedance Analyzer con el que variamos la frecuencia entre 4Hz y 5 MHz, midiendo la capacitancia en paralelo (Cp) y la constante de disipación o pérdida dieléctrica (D).

La temperatura que indica el control de temperatura (62 ºC) se refiere a la que mide la termocupla en el centro del horno tubular y la que muestra la pantalla del multímetro (33 ºC) es porque se mide muy cerca del borde del horno, donde el perfil de temperatura es descendente por pérdida de calor al ambiente.

La muestra objeto de estudio se coloca entre las placas paralelas del dispositivo capacitor y se posiciona otra termocupla para sensar sobre el dispositivo y establecer los cambios de temperatura desde 20 ºC hasta 80 ºC. Tal como era de esperarse, la capacitancia en paralelo aumentó con el incremento de la temperatura debido principalmente a cambios en la permitividad dieléctrica.

Mediciones experimentales

Los datos de Capacitancia en paralelo y coeficiente de pérdida dieléctrica se utilizan para calcular la constante dieléctrica y la permitividad relativa de la muestra en estudio y se hace una gráfica para cada temperatura. En este ensayo se determinó que la Cp aumenta con el incremento de la temperatura, ya que algunos materiales dieléctricos pueden experimentar estos cambios en su permitividad dieléctrica cuando la temperatura aumenta. Esto tiene un impacto en la capacitancia del capacitor. Además, las dimensiones físicas del capacitor pueden cambiar como resultado de la dilatación térmica de los materiales conductores y dieléctricos. Esto cambia la capacitancia del capacitor. En fin. lo que me interesa por ahora es determinar el valor absoluto y relativo del aumento de Cp y las pérdidas dieléctricas que se vean afectadas por los cambios en la temperatura.

El tip que puedo dejarles en esta publicación es que la capacitancia también puede tener un comportamiento contrario a lo que observé en este composito de material semiconductor con gel, ya que en materiales cerámicos lo normal es que al incrementarse la temperatura su capacitancia disminuya, para soporte les indico la referencia ¿La capacitancia varía en función de la temperatura?

También es importante mencionar que la resistencia en serie y en paralelo de este material dieléctrico cambió proporcionalmente con el aumento de la temperatura, disminuyendo su resistencia posiblemente por el incremento de los portadores de carga. Este fenómeno también contribuye en el aumento de la capacitancia en paralelo al incrementar la temperatura del horno, es decir al calentar el dispositivo capacitor.

Aportes de esta publicación

En pocas palabras, la capacitancia de un capacitor de placas paralelas puede variar con la temperatura debido a los cambios en la permitividad dieléctrica del capacitor y a las dimensiones físicas del capacitor. Al diseñar circuitos electrónicos que funcionen en entornos con variaciones significativas de temperatura y frecuencia de la red eléctrica, es fundamental considerar estos efectos provocados por los cambios de temperatura.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ ¿Qué es la constante dieléctrica?
○ ¿Cómo afecta la temperatura a la capacidad de un condensador?
○ ¿La capacitancia varía en función de la temperatura?
○ IMPEDANCE ANALYZER IM3570

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