Clasificación De los sólidos en base a su conductividad eléctrica, aislante, conductor, semiconductor.
RELACION DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE LOS METALES (CONDUCTIVIDAD TERMICA Y ELETRICA) MEDIANTE EL RECURSO DE LA TEORIA DE LAS BANDAS.
Para comprender la relación de las propiedades físicas de los metales mediante la teoría de las bandas, primero debemos entender esta teoría.
La teoría de las bandas hace referencia al aglutinamiento de los átomos en los metales, esta establece que los electrones deslocalizados se mueven libremente a través de las “bandas” que se forman por el solapamiento de los orbítales moleculares. Al estar tan amontonados los átomos de un metal, los orbítales moleculares quedan muy cerca uno de otro, tanto así que los orbítales tienen energías tan parecidas que quedan mejor descritos como una banda.
Entonces los niveles energéticos llenos de cada átomo, tan parecidos uno del otro, constituyen una banda de valencia. Sobre esta banda de valencia se forma otra banda por encima de ésta, correspondiente a los orbítales deslocalizados y vacíos que se forman por el solapamiento de los orbítales mas externos, dicha banda recibe el nombre de “banda de conducción”.
Entonces la relación de las propiedades físicas de los metales es debido a que la banda de valencia y la banda de conducción son adyacentes entre sí, y la cantidad de energía que se requiere para promover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción es prácticamente despreciable.
Una vez en la banda de conducción, el electrón puede desplazarse a través de todo el metal, ya que la banda de conducción carece de electrones.
Podemos concluir con todo lo anteriormente dicho, que en todos los metales el espacio energético entre las bandas de conducción y de valencia es prácticamente nulo, y esto permite el fácil flujo de electrones mediante la promoción de un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción y de allí, el flujo del electrón por todo el metal.
COMPARACION DE LOS NO METALES, METALES Y SEMI METALES EN CUANTO A SU CONDUCTIVIDAD A TRAVES DE LA TEORIA DE LAS BANDAS.
Como ya hemos explicado antes, los metales son conductores de electricidad por excelencia debido a su propiedad adyacente en las bandas de conducción.
Una gran cantidad de elementos son semi-conductores, o sea, que no son conductores pero conducen la electricidad a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de algunos elementos.
En los semi-conductores el espacio energético entre las bandas llenas y vacías, o sea, las de conducción y de valencia es mucho menor que la de los metales. Debido al pequeño espacio energético entre las bandas si se le suministra la energía suficiente, el electrón se excita y pasa de una banda a otra.
Este comportamiento es opuesto al de los metales ya que al aumentar la temperatura en un metal la conducción de electricidad disminuye porque los átomos en el metal empiezan a vibrar y esto tiende a impedir o romper con el flujo de los electrones.
El caso de los no metales, la conductividad eléctrica (de un sodio) depende del distanciamiento energético de las bandas y si el no metal considerado como aislante entonces ese espacio energético es muy grande, por lo que se dificulta la promoción de un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Es decir que se requiere de demasiada energía para excitar un electrón hacia la banda de conducción.
SEMI CONDUCTORES
Características generales de los semi- conductores
Para temperaturas muy bajas, tienen una resistencia comparable con la de los cuerpos aislantes.
Para temperaturas relativamente altas tienen una resistencia comparable a la de los cuerpos semiconductores.
También el estado de pureza de un cuerpo semiconductor influye en su resistencia.
En estado puro tienen una resistencia comparable a las de los materiales aislantes.
Cuando contienen algunas impurezas (distintas para cada cuerpo semiconductor) su resistencia puede llegar a ser como la de un conductor.
Su comportamiento eléctrico depende esencialmente de su estructura atómica.
Una característica fundamental de los semiconductores es de poseer 4 electrones en su orbita.
Los elementos como el silicio (Si) y el germanio (Ge) agrupan sus átomos formando una estructura reticular.
Clasificación de los semi- conductores.
Mientras que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasas resistencia al paso de los electrones y los electrones ofrecen elevadísima resistencia los semiconductores presentan una resistencia intermedia.
Semiconductores intrínsecos
Un elemento semiconductor mas utilizados son (germanio, silicio). Estos elementos agrupan sus átomos de modo muy particular, formando una estructura reticular. Cada átomo de silicio ocupa siempre el centro de un cubo que posee otros 4 átomos, el átomo al estar rodeado por otros 4 “enlace covalentes” este caso el átomo se hace estable, pues se comporta como si tuviese 8 electrones.
Pero al aplicarle aumenta la agitación desordenada de electrones, con lo que algunos de su periferia se salen de su orbita rompiendo sus enlace covalente, cuanta es mas alta la temperatura, mayor es la agitación y el numero de enlaces covalentes rotos junto con la de electrones libres, (hueco, carga positiva) dentro de estas condiciones, a una determinada temperatura habrá dentro de la estructura cristalina una cierta cantidad de electrones libres y la misma de huecos.
En este caso un electrón de los que forman enlaces covalentes no puede saltar fuera del enlace bajo el único efecto de la tensión, sino las fuerzas combinadas con la temperatura.
Semiconductor extrínsecos tipo n.
Debido a la estructura reticular del germanio y el silicio, cuyos átomos forman el centro de un cubo y este tiende a hacerse estable por lo tanto aislante, puesto que tienen bien sujetos a sus electrones ahora hasta que no se le aplique los factores de la temperatura. Pero al aplicarle una diferencia de potencial se consigue una débil corriente proporcional a la temperatura ya que no es muy útil en aplicaciones
Tipo”N”
Para aumentar el numero de portadores de electrones libres a este tipo de semiconductor (intrínseco) se le añaden impurezas estas impurezas tiende a aumentar el numero de electrones libre.
El átomo de antimonio (Sb) se dice que es pentavalente porque dispone de 5 electrones en su orbita mas externa. Ahora si ala estructura de ya conocida del semiconductor (intrínsecos, germanio o silicio puro) estas impureza ocupa un lugar donde debería ir otro átomo de (germanio o silicio) de este modo tratara de formar con el 4 enlaces covalentes necesario para estabilizarse. U como en su orbita le sobra un electrón este tiende a soltarle y así este pasa a ser un electrón libre. Por eso habrá más electrones libres que hueco (cargas positiva).
En este caso los portadores mayoritarios serán los electrones libres (cargas negativas).
Semiconductores intrínsecos tipo p.
El boro en un elemento trivalente, al igual que el aluminio por disponer de 3 electrones en la orbita de valencia.
Al añadir impurezas trivalentes al semiconductor intrínseco y entrar estas a formar parte de la estructura cristalina. Quedan dichas impurezas rodeadas por 4 átomos de silicio o germanio con los a de formar 4 enlaces covalentes cosa que le sobrara un electrón pero en este caso no queda libre sino que falta un electrón en su enlace covalente.
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Por cada átomo de impureza trivalente que se añade al semiconductor intrínseco habrá un mayor número de huecos (cargas positivas) que de electrones libres.
En este caso los huecos serán los portadores mayoritarios y los electrones libres minoritarios. Sometiendo a una circulación de corriente al semiconductor tipo veremos una mayor circulación de portadores mayoritarios tipo n.
Ahora si hacemos lo mismo con un semiconductor tipo p observamos que será diferente
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En este caso como la impureza tiende a hacer que falten mas enlaces con los electrones, estos serán atraídos por el polo negativo, se producen dos corrientes una importante que es la de huecos y otra débil de electrones libres.
Uniones “P” Y “N”
Antes de ver este tipo de semiconductor hay que tener presente el “fenómeno de la difusión”, y es cuando entra en contacto dos elementos de diferentes concentraciones se produce un fenómeno de agitación térmica llamado “difusión”, que tiende a igualar las concentraciones en ambos.
Uniones del semiconductor tipo”p” con “n”
Como hemos vistos un semiconductor tipo (p) dispone mas “huecos” libres (mayoritarios) que de electrones libres o portadores minoritarios, pero la carga total de ellos dos es neutra.
Al colocar parte del semiconductor de tipo “p” junto a otra parte del semiconductor tipo “n” debido a la ley de la difusión los electrones de la zona”n”,con alta concentración de los mismo, tienden a dirigirse a la zona “ que tiene en pocos del tipo “n” y a si lo contrario. Con los huecos en la zona “n” que tratan de dirigirse de la zona “p” a la zona “n”
La ley de difusión impulsa a los electrones de la zona “n” a fundirse hacia la zona “p” y a los huecos de “p” a dirigirse hacia la zona “n” así produciéndose un encuentro que tiende a neutralizar ambas cargas (huecos y electrones libres) formándose dicha unión estable y neutra. De todas formas que la zona “n” era en principio neutra y colocarla junto con la zona “p” pierde electrones. A esta zona se le llama “barrera de potencial” lo que impide la continuación de la difusión.
Diodos semiconductores.
Al unir un trozo de semiconductor de tipo “n” con otro tipo “p” se forma entre ambos una zona neutra y aislante, entre cuyos extremos existe una barrera de potencial. Una vez detenido el fenómeno de la difusión por la barrera de potencial se puede polarizar externamente dicha unión n-p, de forma que la tensión se oponga en la barrera de potencial.
La unión n-p se dice que esta polarizada directamente cuando se le aplica un potencial negativo a la zona n y el potencial positivo de la zona p puesto que al anular la barrera de potencial continua el fenómeno de la difusión pasando electrones mayoritarios de la zona n hacia los minoritarios de la zona p y siendo absorbidos por el polo positivo de la batería y al mismo tiempo el polo negativo repone los electrones absorbidos por el polo positivo y asimismo el fenómeno de difusión se describe de forma indefinida.
En este caso este tipo de unión entrara en conducción cuando se le polariza directamente a izquierda