ELECTR ELEC TRO ON IC ICA A DE DEL ES ESTA TAD DO SOLIDO
En e r g í a d e b a n d a s e n s ó l i d o s
Objetivos:
Entender el comportamiento de las cargas eléctricas en la presencia de campos eléctricos y magnéticos. Describir el comportamiento de aquellos electrones de un sólido que son responsables de sus propiedades eléctricas, es decir, su mayor o menor capacidad para conducir la electricidad.
Ca r g a e l é c t r i c a La materia está hecha de átomos y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.
Ca r g a e l é c t r i c a Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros.
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Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo.
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Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo.
La menor cantidad de carga eléctrica que puede existir es la del electrón, (unidad pequeña para aplicaciones prácticas) y se ha definido en el SIU el culombio como unidad de carga carg a eléctrica..
1 culombio [C] = 6.23 × 1018 1018 electrones. electrone electro nes. s.
C o n d uc u c t i v id id a d e l é c t r i c a En la naturaleza hay sustancias que tienen más electrones en la banda de conducción que otras, es más, si en un mismo material las condiciones externas cambian éste se comporta de diferentes maneras. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres, en la banda de conducción, se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad. Se pueden clasificar los materiales en tres grupos:
Conductores Aislantes Semiconductores
- Condu onduct ctor ores es : estos materiales poseen un gran número de electrones en la banda de conducción, por lo tanto tienen facilidad para conducir la comente eléctrica. Buenos conductores son: la plata, el cobre, c obre, el aluminio, el estaño.
- Aislantes : son aqu aquell ellos os en los cuales cuales los electr electrone ones s están están fue fuerte rtemen mente te ligados a sus núcleos, siendo éstos incapaces de desplazarse por el interior del material y, en consecuencia conducir. Buenos aislantes son: el aire, la porcelana, lana de vidrio, caucho, etc.
- Semi Semico condu nduct ctor ores es:: son sustancias que bajo condiciones normales se las podría clasificar como malos conductores, pero si se les comunica energía exte exterio rior, r, los los elec electr tron ones es po podr dría ían n salta saltarr de la ba band nda a de valen valencia cia a la de conducción, convirtiéndose en buenos conductores. Ejemplos de estos son: el silicio y el germanio, entre otros.
C o r r ie ie n t e e l é c t r i c a El termino corriente eléctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir el movimiento de cargas eléctricas de igual signo que pasa por alguna región de espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Siemp Siempre re qu que e se mu muev even en carga cargas s eléctr eléctric icas as de igual igual sign signo o se esta estable blece ce un una a corriente eléctrica.
Ca r g a s e l é c t r i c a s d e i g u a l s i g n o CORRIENTE ELÉCTRICA.
C o r r ie ie n t e e l é c t r i c a Se define como la cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor en un segundo. La corriente eléctrica se mide en AMPERIOS (A). Los submúltiplos más usuales del amperio son: El miliamperio (mA.) que es la milésima parte del amperio, por lo que: 1 A. = 1 .000 mA. El microamperio (µA) que es la millonésima parte del amperio, por lo que :
= 1.000.000 uA.
1 Amperio 1 miliamperio (mA) 1 microamperio (uA)
= 1A = 0 .001 A = 0.000001 A
El aparato empleado para medir intensidades de corriente eléctrica es el amperímetro. Su símbolo es una A rodeada por una circunferencia .
1 A.
M e di d i c i ó n d e c o r ri ri e n t e
Siempre que se mida una intensidad de corriente es necesario abrir el circ circui uito to po porr el pu punt nto o do dond nde e se qu quie iere re me medi dirr e inte interc rca alar lar en seri serie e el amperímetro , de forma que la corriente lo atraviese.
Excitación Supongamos que un electrón es acelerado por un potencial aplicado a un tubo de descarga. La energía adquirida del campo puede transferirse al átomo cuando es alcanzado por el impacto del electrón
Si la energía energía del electrón electrón incidente es mayor a la requerida requerida para pasar el electrón de su estado, a un nivel de resonancia superior, la energía sobrante quedará en posesión del electrón incidente y en forma de energía cinética después de la colisión. Se dice que hubo entonces excitación del átomo.
Ionización
Si la energía del electrón incidente es por lo menos igual al potencial de ionización del gas, puede lograr sacar el electrón del átomo y separarlo completamente de el (ionización), de este choque resultan tres partículas, un ión positivo y dos electrones libres.
Dopaje En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. Semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado que actúa más como un conductor que como un semiconductor es llamado degenerado.
Dopaje
El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las las capa capaci cid dad ades es con condu duct ctor oras as de un semi semico cond ndu uctor ctor es mu muy y pequeña. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 átomos) el dopaje es bajo o ligero. l igero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este tipo de dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material tipo N o P+ para material tipo P.
C l a s i fi f i c a c i ó n d e l a m a t e r i a d es e s d e e l pu pu n t o d e v i st s t a d e s u c o m p o r t a m i e n t o e l éc éc t r i c o
T e o r í a d e b a n d a s d e e n e r g ía ía d e l o s cristales
Mediante rayos X y otros estudios, se ha encontrado que la mayor parte parte de los los met metal ales es y semic semicon onduc ducto tore res s tiene tienen n una estr estruc uctu tura ra cristalina. Un cristal es un siste stema esp espacial de átomo mos s o mol moléculas (est (estri rict ctam amen ente te ha habl blan ando do,, ione iones) s) cons constr trui uido do po porr la repe repeti tici ción ón sistemática en las tres dimensiones de alguna unidad estructural fundamental.
T e o r í a d e b a n d a s d e e n e r g ía ía d e l o s cristales Los niveles de energía de los electrones discutidos de un átomo único libre (como en un gas, donde los átomos están suficientemente alejados como para que la influencia mutua sea despreciable) no se aplican al mismo átomo en un cristal. Esto es debido a que la energía potencial U que caracteriza a la estructura cristalina, es una función periódica en el espacio, cuyo valor en cualquier punto es el resultado de la contribución de todos los átomos.
T e o r í a d e b a n d a s d e e n e r g ía ía d e l o s cristales Cuando los átomos forman cristales, se encuentra que los niveles de energía de los electrones de las capas más internas no son apen ap enas as afec afecta tado dos s po porr la pres presen enci cia a de los los átom átomos os veci vecino nos. s. Sin Sin embargo, los niveles de los electrones de las capas más exteriores camb cambia ian n cons consid ider erab able leme ment nte, e, pu pues esto to qu que e esto estos s elect electro rone nes s son son compartidos por más de un átomo en el cristal. Los nuevos niveles de energía de los electrones más exteriores pued pu eden en de dete term rmin inar arse se po porr medio medio de la me mecá cáni nica ca cuán cuánti tica ca,, qu que e conduce al resultado de que el acoplamiento entre los electrones de la capa más exterior de los átomos origina una banda de estados de ener en ergí gía a muy próx próximo imos, s, en luga lugarr de los los nive nivele les s de en ener ergí gía a mu muy y separados del átomo aislado, aisl ado, transparencia
T e o r í a d e b a n d a s d e e n e r g ía ía d e l o s cristales Los estados electrónicos son tratados como si el núcleo estuviera en reposo en posiciones fijas. Sin Sin em emba barg rgo, o, cuan cuando do trat tratam amos os los los mo movi vimie mient ntos os lento lentos s de los los núcleos, se considera que los electrones se adaptan instantáneamente instantáneamente al potencial potencial de los núcleos núcleos cargados cargados y por tanto tanto minimizando las energías electrónicas.
Teoría de las bandas de en ergía e n lo lo s c r i s t a l e s En el est estado sól sólido ido, las las mo molé lécu cullas, as, át áto omo mos s o ion iones que componen la sustancia considerada, están unidas entre sí por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella lla las las pa parrtícula ulas ocup ocupan an posic osicio ione nes s def efin iniida das s y sus sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen propios.
T e o r i a d e b a n d a s d e e n e r g ía ía e n los c ristales Los niveles de energía en los átomos forman bandas de energía en los cristales
Todo Todos s los sóli sólido dos s cris crista talilino nos s pres presen enta tan n un una a estr estruc uctu tura ra peri pe riód ódica ica,, po porr lo qu que e un elec electr trón ón ge gené néri rico co qu que e se vies viese e sometido a la influencia de la red cristalina poseería una ener en ergí gía a po pote tenc ncia iall qu que e vari variar aría ía ta tamb mbié ién n de un una a fo forrma periódica en las tres direcciones del espacio.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n l o s s ó l i d o s
La en ene ergía gía de un elect lectró rón n en un sól sólido ido sólo ólo pue ued de toma tomarr valore lores s comprendidos en alguna de las múltiples bandas de energía del sólido. sól ido.
La mayor parte de los metales presentan, no obstante, bandas superiores incompletas que se superponen entre sí permitiendo, asimismo, la movilidad de los electrones que son excitados por un campo eléctrico. Este movimiento de cargas en el seno de la red cristalina constituye una corriente eléctrica.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n l o s s ó l i d o s
Una gran mayoría tanto de sólidos iónicos como de covalentes, son malos conductores de la electricidad (aisladores). En ellos la banda más alta conteniendo electrones (banda de valencia) está completamente llena. Existen algunos sólidos como el silicio y el germanio que tienen una estructura de bandas semejante a la de los aisladores. Sin embargo, en ellos la banda prohibida que separa la de valencia, completamente llena, y la de conducción, completamente vacía, es estrecha, de modo que es posible excitar los electrones más altos de la banda de valencia y transferidos a la de conducción.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n l o s s ó l i d o s
Se trata de sólidos semiconductores. El hecho de que su banda prohibida sea estrecha permite bombear electrones a la banda de conducción sin más que elevar suficientemente sufici entemente la temperatura. Los semiconductores constituyen los materiales sólidos clave en la fabr fa bric icac aciión de disp dispos osiitivos ivos elec electtrón ónic ico os. Sus Sus prop propie ied dad ades es,, mejo me jora rada das s y ap apro rove vech chad adas as grac gracia ias s a la inve invest stig igac ació ión n bá bási sica ca y aplicada, no sólo han constituido un elemento clave en el desarrollo de la informática, la instrumentación científica de alto nivel y las tele te leco comu mun nicac icacio ione nes, s, sino sino ta tamb mbié ién n en el dis diseñ eño o de ap apar arat atos os electrodomésticos electrodomésticos y de uso habitual.
C a r a c t e r ís ís t i c a s d e l o s s ó l i d o s cristalinos
En el estado sólido, las moléculas, átomos o iones que componen la susta ustanc ncia ia con onsi side dera rad da está están n un unid idas as en entr tre e sí po porr fu fuer erza zas s relati relativa vamen mente te intens intensas, as, forman formando do un tod todo o compa compacto cto.. La mayor mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. La mayor parte de los sólidos presentes en la naturaleza son cristalinos aun cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geométrico regular apreciable a simple vista. Ello es debido a que con frecuencia están formados por un conjunto de pequeños cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n l o s s ó l i d o s
Las propie propieda dades des física físicas s de los sólid sólidos, os, tales tales como como tempe temperat ratur ura a de fus fu sión ón,, cap capacid acidad ad pa parra con condu duci cirr la corr orrient iente, e, resi esisten stenc cia a la defor def ormac mación ión,, durez dureza, a, etc., etc., dep depen enden den de las carac caracter terís ístic ticas as de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales. Así, los sólidos iónicos, como las sales, son duros y a la vez frágiles, con con pu punt ntos os de fusi fusión ón alto altos. s. Aunq Aunque ue son son ma malo los s cond conduc ucto tore res s de la electrici icidad sus diso isoluciones, sin emb mba argo, presentan una conductividad elevada.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n l o s s ó l i d o s
Los sólid sólidos os formad formados os po porr moléc molécula ulas s po polar lares, es, como como el ag agua, ua, prese presenta ntan n caract caracterí eríst stica icas s inter intermed medias ias ent entre re ambos ambos tipos tipos de sóli sólido dos, s, los ióni iónico cos s y los los ap apol olar ares es.. Esca Escasa sa cond conduc ucti tivi vida dad d y extraordinaria dureza. El diamante, que es carbono puro cristalizado, constituye un ejemplo de este tipo de sólidos.
T e o r ía ía d e b a n d a s e n s e m i c o n d u c t o r e s
E s t r u c t u r a d e b a nd nd a s d e u n semiconductor
E s c a l a de d e c o n d uc u c t i v i d ad ad Las propiedades eléctricas de materiales se pueden expresar térm términ inos os de con condu duct ctiv ivid idad ad,, qu que e es contrario de resistividad y se expresa Siemens (o mho/m).
los en lo en
El gráfico de la derecha muestra el rango de con condu duct ctiv ivid ida ade des s para ara ma matteria eriale les s comunes. Aquí nos interesaremos principalmente en el silicio, que es muy mal conductor.
Semiconductores ( L a e l e c t r i c i d a d y su su i m p a c t o )
Desde que el hombre comienza a dominar la electricidad se suce sucede den n un una a seri serie e de de desc scub ubri rimi mien ento tos s cien cientí tífi ficos cos e inventos que hacen a nuestra civilización dependiente de ella. Ha tenido gran impacto en el hogar, la industria, el comercio, el transporte, las comunicaciones.
S e m i c o n d uc u c t o r e s c o m o fu fu n c i o n a n ?
Los semiconductores han tenido un impacto monumental monum ental en nuestra sociedad. podemos encontrar semiconductores en el corazón, en los microprocesadores, como también en los transistores. Cualquier cosa que esté computarizado o usa ondas de radio, depende de los semiconductores. Hoy en día, muchos chips semiconductores y transistores son creados con silicona, y de hecho se puede considerar que la silicona es el núcleo de cualquier dispositivo electrónico.
S e m i c o n d uc u c t o r m á s si si m p l e • El
diodo po r ejemplo es el dispositivo dispositivo semiconductor semiconductor más simple, simple, y por ello es un bu buen en pu punt nto o pa para ra em empe pez zar a ap apre rend nder er como como trabajan los semiconductores.
• El
carb carbón ón,, el sili silici cio o y el ge germ rman aniio, tiene ienen n un una a prop propied iedad ad única única en su estru estruct ctur ura a de elect electro rones nes cada cada un una a tien tiene e cuat cuatro ro elec electr tron ones es es su órbi órbita ta externa.
• Esto Esto
les les pe perm rmit ite e form formar ar cris crista tale les, s, en el carb carbón ón,, conocemos esta forma entrelazada como diamante. diamante. En el silicio, la forma cristalina es una sustancia plateada y con aspecto metálico.
Conductividad
La conductividad se presenta en dos tipos:
El movimiento de los electrones.
Y el mo mov vimi imien ento to de los hu huec ecos os (zon (zonas as vací vacías as qu que e ag agua uard rdan an un electrón). Es evidente que para comprender esto completamente es necesaria la mecánica cuántica
Quee es Qu esttud udia ia la mec ecán ánic icaa cu cuán ánti tica ca? ?
Conductividad
La cond conduc ucttivi ivida dad d de un semi semico cond nduc ucto torr au aume ment nta a con con la temperatura a la inversa de lo que sucede con los metales. Un semiconductor puede mezclarse con pequeñas cantidades de imp mpu ureza ezas (DOPA OPADO) para aume ment ntar ar el nu nume merro de electr electrones ones en la banda banda de cond conducci ucción ón y así así mejorar mejorar y variar variar sus propiedades La magnitud de la banba prohibida es pequeña así en a bajas temperaturas son aislantes y a altas temperaturas alcanzan buenos niveles de energía convirtiéndose en conductores.
LOS ENLACES COVALENTES Son aquellos enlaces en que dos o mas átomos comparten varios electrones este tipo de enlaces se da especialmente entre aquellos átomos que contienen cuatro electrones en su ultima capa como por ejemplo el silicio Si y el germanio Ge LOS ELECTRONES DE VALENCIA Son los que se encuentran en la última capa u órbita y pueden convertirse fácilmente en electrones libres
LOS ELECTRONES LIGADOS Son aquellos que se encuentran atraídos por el núcleo del átomo átomo al qu que e perten pertenec ecen en elec electr tron ones es libr libres es son son los que se encu en cuent entran ran tan tan aleja alejados dos de dell nú núcle cleo o que prác prácti ticame cament nte e no tienen acción acción sobre sobre ellos y por tanto tanto pueden quedar libres de de la acción del núcleo. DOPAJE Es el proceso intenc tenciiona nall de ag agrregar imp mpu urezas ezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas de p e n de n del tipo de semiconductores a dopar.
T i p os o s d e Se S e m i c o n d uc u c t o r es es
Los princi principale pales s semicon semiconduc ductor tores es utiliz utilizados ados en electró electrónic nica a son el silicio, el germa man nio y arseniuro de gal aliio. Lo Los s Ma Mate teri rial ales es Semiconductores se clasifican
Según su estado en: Intrínsecos Extrínsecos
Según el material se clasifican en: Tipo N Tipo P
T i p os o s d e Se S e m i c o n d uc u c t o r es es p o r s u es es t a d o SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
Se de deno nomi mina na semi semico cond nduc ucto tore res s intr intrín ínse seco cos s o pu puro ros s a aq aque uell llos os cristales formados por elementos semiconductores puros Ge y Si. Solo poseen un tipo de átomos que están en equilibrio eléctrico Cuando Cuand o se aumen aumenta ta la tem tempe perat ratur ura a pu pued eden en rompe romperr los los enlac enlaces es covalen covalentes tes los electro electrones nes tienen tienen suficie suficiente nte energía energía para para escapar escapar (capa de conducción).
T i p os o s d e Se S e m i c o n d uc u c t o r es es p o r s u es es t a d o SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
Se de deno nomi mina na semi semico cond nduc ucto tore res s extr extrín ínse seco cos s a aque aquell llos os cris crista tale les s formad formados os por eleme element ntos os semic semicond onduc ucto tore res s puros puros a los los qu que e se ha añadido algún tipo de impureza. Son aquellos a los que se añaden impurezas (DOPADO) así tendrán exceso o defecto de electrones
EXCESO PENTAVALENTES (N) Quedan ligados al átomo
DEFECTO TRIVALENTES (P) Poca energía para combinarse con otros átomos
La conducción es mas fácil ya que de poca energía para la circulación de la carga
T i p os o s d e Se S e m i c o n d uc u c t o r es es p o r el e l m a t e r i al al SEMICONDUCTOR TIPO N Son los semiconductores dopados con impurezas donadoras Se obtien obtiene e llevan llevando do a cabo cabo un proceso proceso de dopado dopado y numero de portadores de cargas libres
aumentan aumentando do el
Dopa Do pado do Do Dona nant ntee Su propósito es producir abundancia de electrones portadores en el material y mejorar la conducción
T i p os o s d e Se S e m i c o n d uc u c t o r es es p o r el e l m a t e r i al al SEMICONDUCTOR TIPO P Son los semiconductores dopados con impurezas aceptadoras Aumentar el número de cargas libres y producir abundancia de Huecos Así, en materiales dopados de tipo n, se debe seguir a los electrones y en los materiales de tipo p, p , los huecos.
E n l a c e c o v a le le n t e
El verdadero poder del uso del silicio deriva del dopaje, que consiste en añadir pequeñas cantidades de elementos que cambian drásticamente su conductividad. El silicio tiene cuatro electrones de valencia exteriores y por ello busca participar de cuatro enlaces covalentes. Dopando estos elementos que tienen más o menos electrones de valencia, los electrones o los huecos (ausencia de electrones) sobrantes proporcionan un transportador para la conducción.
Enlace covalente? Electrones de valencia?
Lo interesante de los semiconductores es cómo se comportan cuando se juntan dos o más. Por si mismo, un semiconductor dopado no es más que una resistencia eléctrica y hay modos mucho más fáciles de crear una resistencia. Un material dopado P se coloca junto a un material dopado N. y se forma un diodo.
Los puntos que se deben recordar son: La cond conduc ucti tivi vida dad d es un una a func funció ión n de la conc concen entr trac ació ión n de dell dopante. Los materiales dopados tienen más o menos la conductividad Los ma matteriale ales de tipo tipo n y de tipo tipo p tienen difer ferentes conductividades. Incluso en materiales fuertemente dopados, la proporción del dopante se encuentra a niveles de partes por millón.
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Cada dispositivo tiene unas características definitorias que la industria ha encontrado útiles al describirlas. Incl Inclus uso o en dispo disposi sitiv tivos os tan tan senc sencill illos os como como los los diodos diodos hay cientos de tipos que se han diseñado específicamente para: Conmutación Rectificación Potencia Alta frecuencia Baja dispersión
Así Así po porr ejemp ejemplo lo no norma rmalm lmen ente te,, al eleg elegir ir un diod diodo o ha hay y qu que e conocer las tasas máximas máxima s de voltaje y corriente Además, los diodos tienen una capacidad significativa, que se debe de be incl inclui uirr en los los dise diseño ños s de alta alta frec frecue uenc ncia ia.. Así Así en la actu actual alid idad ad lo po pode demo mos s revi revisa sarr en las las fich fichas as técn técnic icas as de instrumentos electrónicos en las sección diodos diodos
Con la separación de carga que la atraviesa, la unión de un diodo parece un condensador cargado. Hemos visto que al puentear un condensador cargado, este suministra una gran fuente de energía:¿ocurre igual con un diodo? En otras palabras: si se puentea un diodo fluye la corriente? Porque?
Si un ohmímetro puede probar la función de un diodo, ¿por qué muchos multímetros tiene tie nen n co conf nfig igur urac acio ione nes s se sepa para rada das s pa para ra lo los s diodos?
