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Transcript
INTRODUCIÓN. MATERIALES CONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen
características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos
Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos
formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:
 Conductores
 Aislantes
 Semiconductores
Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente
eléctrica. Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y
los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en
otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la
corriente eléctrica. En la figura superior se muestran algunos de esos materiales: A)
Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos
semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un
transformador distribuidor de energía eléctrica de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio
soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de energía
eléctrica de media tensión. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen
materiales o cuerpos que ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.
MATERIALES CONDUCTORES
En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en
mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus
cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la
distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la
fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y
electrónicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y
oro (Au).
Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los circuitos eléctricos
por la baja resistencia que presentan al paso de la corriente.
En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos
sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de
electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles
de energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos
Químicos” le corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades
de cada uno de ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones
que giran alrededor del núcleo de cada átomo en particular. No obstante,
independientemente de la cantidad total de electrones que le corresponda a cada
elemento, en la última capa u órbita sólo pueden girar de uno a ocho electrones como
máximo.
Diferentes formas de representar de forma gráfica un mismo átomo, en este caso de
cobre (Cu): A) Normal, en la que aparecen todos los electrones girando alrededor del
núcleo de ese elemento en sus respectivas órbitas.
B) Representación plana en la que se pueden observar, de forma parcial, las cuatro
órbitas o niveles de energía que le corresponden a ese átomo con la distribución
numérica de todos los electrones que posee en cada una de ellas. (29 en total).
C) La misma representación plana, pero más simplificada, en la que se muestra
solamente la última órbita o banda de valencia, identificada con. el número “1”, o sea,
el único electrón que posee en esa posición. D) El mismo átomo mostrado ahora en
representación plana, con la última órbita y el único electrón que gira en la misma.
Banda de valencia
Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen
órbitas o capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones
alrededor de sus núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es
donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con
los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros
átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un
cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor.
En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo
giran entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos
cuando los excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias
de trabajo (o números de oxidación) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.
Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones
que pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene
cada uno en la última órbita.
En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es
decir, se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los
que poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como
el cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad.
En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de
conducción y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que
los electrones puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que
integran también las moléculas del propio metal. Es por eso que cuando se aplica
corriente eléctrica a un circuito formado por conductores de cobre, por ejemplo, los
electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del alambre que integra el
cable.
Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una
banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada
“banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones
salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los
metales la banda prohibida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan
poca energía para saltar de una banda a la otra.
Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o
última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el
tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos”
que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una
reacción física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial
(corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.
En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el
oro poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia,
así como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que
destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente
eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con
aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la
corriente eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el
oro.
MATERIALES AISLANTES O DIELÉCTRICOS
A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente
eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las
resinas sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos
materiales se conocen como aislantes o dieléctricos.
Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones
con facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes
poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les
impide cederlos. Esa característica los convierte en malos conductores de la
electricidad, o no la conducen en absoluto.
En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de
portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está
completamente llena de estos.
Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la “banda prohibida”,
cuya misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del
átomo, se exciten y salten a la banda de conducción.
La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt)
aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda
(Eg) que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida
en los materiales aislantes.
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores
diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se
conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra
de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado
para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja
que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible
seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie
conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.
En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos
cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica
variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo
al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William
Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John
Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que
denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica
moderna.
Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por
ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos
conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin
embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación
de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se
utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de
corriente eléctrica, funcionar como interruptores, transistores, circuitos integrados o
microprocesadores.
Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco
electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen.
No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio
(Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este
caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina
característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones.
Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces
covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando
se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no
presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material
aislante.
Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor
La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales
semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los
metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente
también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los
elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad
también
aumenta.
En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando
uno de los siguientes métodos:



Elevación de su temperatura
Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina
Incrementando la iluminación.
Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las
resistencias dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su
conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.
SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"
Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:
1. Intrínsecos
2. Extrínsecos
Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea,
que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En
ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al
atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se
encuentran presentes en la banda de conducción.
Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor
intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones
pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del
átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí
funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un
átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento
semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.
Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio
correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los
materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para
saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los
semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones
es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.
Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por
átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la
ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita
o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho
electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de
silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.
SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"
Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le
introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la
corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura
molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio
con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".
Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos
semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita
[como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última
órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el
germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir
la corriente eléctrica.
En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de
la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente
barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de
silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma
industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor
(entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.
A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal
semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de
transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea
conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada
una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se
convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han
convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y
colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores
externos.
El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción
que el silicio, es el cristal de germanio (Ge). Durante mucho tiempo se empleó también
el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares,
que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la
corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio,
se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la
Tabla Periódica.
Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio
Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As)
utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de
diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.
En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es
decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse
formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de
cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en
su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea
donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada
átomo en específico.
Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su
última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes,
compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de
completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo
sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina,
semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa
estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se
comportan como aislantes.
CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P"
Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se
pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente
eléctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas
cantidades de "impurezas".
Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros elementos
semiconductores apropiados que posean tres electrones en su banda de valencia o última
órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en esa propia órbita (átomos
pentavalentes). A tales efectos se consideran impurezas los siguientes elementos con
átomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran
impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de antimonio (Sb).
Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequeña
cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función de “impurezas”, estos
átomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno
de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario,
los átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces
"aceptantes”, porque cada uno tendrá que captar o aceptar un electrón procedente de la
propia estructura cristalina del silicio o del germanio.
La conductividad que presente finalmente un semiconductor “dopado” dependerá de la
cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una
proporción de un átomo de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del
elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.
SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"
Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma
cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la
circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.
Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos
añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un
metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos
semiconductores del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su última
órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y
compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos
de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al
quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De
esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de
electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.
Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía. Como
se puede observar, esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de antimonio (Sb)
para crear un material semiconductor “extrínseco”. Los átomos de silicio (con cuatro
electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces
covalentes con los átomos de antimonio (con cinco en su última órbita banda de
valencia). En esa unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del
silicio por cada átomo de antimonio que se haya añadido. De esa forma el cristal. de
silicio se convierte en material semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso
electrones libres con cargas negativas presentes en esa estructura.
Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente
eléctrica en sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas
contenidos en la sustancia impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer
un flujo de corriente electrónica a través de la estructura cristalina del semiconductor si
le aplicamos una diferencia de potencia o corriente eléctrica.
No obstante, la posibilidad de que al aplicárseles una corriente eléctrica los electrones se
puedan mover libremente a través de la estructura atómica de un elemento
semiconductor es mucho más limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo
metálico buen conductor.
SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P"
Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio
lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento
perteneciente al Grupo IIIa de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita
o banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de
silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus
átomos para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio
tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de
silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material
adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco
dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca
la falta de electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.
Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si). que forman, como en el caso
anterior, una celosía, dopada. ahora con átomos de galio (Ga) para formar un.
semiconductor “extrínseco”. Como se puede observar en. la. ilustración, los átomos de
silicio (con cuatro electrones en. la. última órbita o banda de valencia) se unen
formando. enlaces covalente con los átomos de galio (con tres. electrones en su banda
de valencia). En esas condiciones. quedará un hueco con defecto de electrones en la.
estructura. cristalina de silicio, convirtiéndolo en un. semiconductor tipo-P (positivo)
provocado por el defecto de. electrones en la estructura.