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- SEMICONDUCTORES -
Un semiconductor es un material aislante que, cuando se le añaden ciertas sustancias o en un determinado contexto, se vuelve conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo con determinados factores, el semiconductor actúa a modo de aislante o como conductor.………………………………….………………………...……………………. Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos: Los semiconductores intrínsecos (que también se conocen como semiconductores extremadamente puros, figura 1) son cristales que, a través de enlaces covalentes entre los átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico a temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que necesitan para pasar a la banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda de valencia. Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. ………………………………………… Materiales intrínsecos Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio). Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). Figura 1. Semiconductor intrínseco.
A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor).
- Semiconductor tipo N: En este caso, las impurezas que son incorporadas al semiconductor intrínseco, es el elemento intruso en la configuración viene dado por elementos pentavalentes, es decir, con 5 electrones de valencia, como lo son el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales, al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones. De esta forma este material contiene un mayor número de electrones libres comparados con los huecos libres. En ambos casos la conducción se hace por medio de los electrones, pero se puede decir que en el material tipo P la conducción se produce por el movimiento de huecos ya que los electrones se desprenden de una unión dejando un hueco para pasar a otro. Para conseguir que los materiales semiconductores intrínsecos se conviertan en conductores, tenemos que modificar de forma artificial la estructura cristalina. Esto se consigue introduciendo impurezas que son átomos diferentes con 5 o con 3 electrones en la capa externa, este proceso se conoce como dopado o adulteración. Dependiendo del tipo de átomo que utilicemos para dopar al semiconductor, podemos obtener dos tipos de cristales: tipo P y tipo N (figura 5). Figura 4. Semiconductor extrínseco, tipo N. Figura 5. Diagrama
Información del semiconductor de tipo P y N resumida:
Llega un momento que un nuevo electrón de la zona N intente pasar a la zona P y se encontrará con la carga negativa de la región de agotamiento en P (los iones negativos formados), que le impedirán el paso (cargas iguales se repelen). En este momento se acabará la recombinación electrón-hueco y no habrá más conducción eléctrica. Además, la zona N que antes era neutra ahora tendrá carga positiva, ya que han se han ido de ella electrones, y la zona P, que antes también era neutra, ahora será negativa, ya que ha recogido los electrones que abandonaron la otra zona. La unión PN deja de ser eléctricamente neutra (como se muestra en la figura 8). Aun así, la parte N, fuera de la región de agotamiento, seguirá teniendo electrones libres que no formaron enlaces con átomos de semiconductor puro, y la parte P seguirá teniendo huecos. Por eso en la imagen anterior ves el signo menos en la zona N como el más abundante y el signo + en la P como más abundante (portadores mayoritarios). OJO en la región de agotamiento habrá cationes y aniones, es decir un potencial positivo a un lado y un potencial negativo al otro, por lo que entre N y P habrá una diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión ya que la unión ahora ya no es eléctricamente neutra. Pero ¿Qué necesitaremos para que más electrones de la zona N puedan pasar a la zona P? Pues necesitaremos suministrarles energía suficiente para que atraviesen la región de agotamiento, es decir energía para que sean capaces de saltar esa barrera o superar la tensión producida o vencer la fuerza de repulsión de los iones negativos de la zona P, de lo contrario, no habrá conducción. Vamos a suministrar esta energía conectando la unión o el diodo a una fuente de energía, por ejemplo, una pila o fuente de alimentación. Figura 8.
- CONDUCTOR -
La conductividad se refiere a la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar libremente la corriente eléctrica. La conductividad de un material depende de su estructura atómica y molecular. Un conductor eléctrico, de este modo, es un material que posibilita la transmisión de electricidad. Existen distintas clases de materiales que actúan como conductores eléctricos. Los más eficientes son los metales como el cobre, bronce, acero, el hierro, aluminio, etc. (figura 9). Sin embargo, algunos materiales que no son metales, como una solución salina o el grafito, también funcionan como conductores eléctricos. Si tomamos en cuenta el modo en el cual el conductor eléctrico realiza su trabajo, entonces podemos elaborar una clasificación de los diferentes materiales que nos devuelve los siguientes tres grupos:
- metálicos: Este grupo está conformado por los metales sólidos y sus respectivas aleaciones, deben su alta conductividad a las nubes de electrones libres que favorecen la circulación de corriente eléctrica a través de estos. Los metales ceden los electrones ubicados en la última órbita de sus átomos sin invertir mayores cantidades de energía, lo cual hace propicio el salto de electrones de un átomo a otro. Por su parte, las aleaciones se caracterizan por tener una alta resistividad; es decir, presentan una resistencia proporcional a la longitud y diámetro del conductor. Las aleaciones más empleadas en instalaciones eléctricas son el latón, una aleación de cobre y zinc; la hojalata, una aleación de hierro y estaño; aleaciones de cobre y níquel; y aleaciones de cromo y níquel. Figura 9. Materiales conductores.
- AISLANTE -
El aislante es el material utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito ya que el aislante no es conductor de la electricidad (ya que no permite el paso de la corriente), y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. De esta manera se refuerza la seguridad de la instalación. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. La cinta aislante que se emplea para recubrir los cables es uno de los aislantes eléctricos más populares. Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones, pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores. Además de todo lo expuesto, tendríamos que señalar la existencia de lo que se conoce como aceite aislante. Se trata de un tipo de aceite mineral que se utiliza dentro del ámbito de la electricidad, en concreto en lo que son las instalaciones eléctricas denominadas de alta tensión. Ejemplo de material aislante.
- REGLA DEL OCTETO -
Es un enunciado empleado en la química, creado por el físico químico Gilbert Newton Lewis, el cual establece que la tendencia de los iones de los elementos del sistema periódico es determinar sus niveles finales de energía con ocho electrones, adquiriendo una configuración estable muy parecida a la de un gas noble. La regla del octeto, también se aplica para la creación de los enlaces entre átomos y según sea la naturaleza de los enlaces, va a ser el comportamiento y propiedades de las moléculas. Esta regla indica que dos átomos iguales que se enlazan entre sí pueden desarrollar una determinada organización, para que al momento de generar el enlace por la separación de los pares de electrones cada uno de los átomos tenga la estructura de un gas noble, por ende, ambos átomos en su última capa energética se encontrarán rodeados por ocho electrones. Para que el octeto se cumpla deben ocurrir una serie de procesos. Primero es mediante la transferencia de electrones, ocurre cuando los átomos forman cationes y pierden electrones y en su lugar otros los ganan y dan origen a los aniones, para que esto ocurra se requiere que la diferencia electronegativa entre átomos tenga un valor alto para que el átomo con menor carga electronegativa pierda electrones y el otro los adquiera, esto puede ocurrir en los metales o en no metales con un valor alto de electronegatividad. En el caso de los no metales ambos tipos de átomos deben adquirir mayor número de electrones para poder completar la capa externa, para que esto ocurra ambos deben compartir electrones. La regla del octeto permite proponer aproximaciones acerca de la estructura de ciertos compuestos, pero como ya se sabe la naturaleza es cambiante y pueden existir excepciones que no cumplan con las reglas establecidas por el ser humano. Los átomos en ciertos compuestos que no cumplen con lo establecido en la regla son el nitrógeno, flúor, oxígeno, azufre, boro y el hidrógeno. En el caso del nitrógeno, quien es un gas que se origina de la combustión del combustible en los carros posee once electrones en su valencia y ya que el octeto establece que los electrones deben acomodarse en números pares, al tener un número impar de electrones no cumple con la regla. Figura 11. Representación de la Regla del octeto.
A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia. Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica. Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas. Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio (+4). Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED). En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres. También se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre es debido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.
Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energía es la "Energía del átomo Aceptor" (EA). A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es despreciable.
La distancia de equilibrio D4 a la que se forma el sólido ocurre cuando se igualan las fuerzas de repulsión y atracción interatómicas. En este instante existen dos bandas de energía con 4N estados cada una, denominadas Banda de Conducción y Banda de Valencia, y separadas una por una zona, llamada Banda Prohibida, donde no existen estados energéticos permitidos. La energía de la Banda de Conducción es superior a la de la Banda de Valencia, y la separación energética entre ambas se denomina Energía de la Banda Prohibida (Eg) (Figura 13.) Una vez descrito cómo se organizan los estados energéticos de los N átomos de un sólido en bandas de energía, es necesario ver como se distribuye el conjunto de electrones en cada una de estas bandas. Para el caso concreto de un cristal formado por átomos de la columna 4a, los 4 electrones de la última capa (s2 p2 ) contribuirán en el sólido dando un total de 4N electrones. A una temperatura de 0 grados Kelvin, la energía de los electrones será la mínima posible, por lo que los 4N electrones de la capa ocuparán la totalidad de los 4N estados de la banda de valencia, que es la que tiene menor energía, mientras que la banda de conducción permanecerá completamente vacía, con sus 4N estados desocupados. Mediante la aplicación de un campo eléctrico se comunica energía a los electrones para que puedan moverse y formar una corriente eléctrica. Si se aplica el campo a temperaturas muy bajas no podrá haber movimiento de cargas eléctricas, ya que para eso es necesario que los electrones dispongan en su proximidad estados energéticos libres a los que poder saltar. En el caso de temperaturas tan bajas, los únicos estados libres tienen una energía muy superior, por lo que un electrón de la banda de valencia que fuera a moverse necesitaría un aporte de energía de, al menos, Eg y eso implicaría un campo eléctrico muy alto. En el caso de un semiconductor la energía de banda prohibida será del orden de 1 eV, por lo que a temperatura ambiente (alrededor de 20o C) pueden absorber suficiente energía del entorno para alcanzar la banda de conducción. Una vez allí disponen de una gran cantidad de estados energéticos disponibles para poder moverse y formar parte de una corriente eléctrica.
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