CONDUCCION ELECTRICA EN METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

CONDUCCION ELECTRICA EN METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

Los buenos conductores eléctricos contienen una alta densidad de portadores de carga libre, y la densidad de portadores de carga libres en aislantes es casi cero. En esta sección se explican los mecanismos de conducción en estas tres clases de materiales en términos de un modelo basado en bandas de energía.

METALES

Si un material puede ser un buen conductor eléctrico, los portadores de carga del material deberán estar libres de moverse en respuesta a un campo eléctrico aplicado. Considere los electrones de un metal como los portadores de carga. El movimiento de los electrones, en respuesta a un campo eléctrico, representa un aumento en la energía del sistema (la red metalica y los electrones libres) correspondiente a la energía cinetica adicional de los electrones en movimiento. Debido a eso cuando se aplica un campo eléctrico a un conductor, los electrones deben moverse hacia arriba aun estado de energía mas alto, disponible de un diagrama de nivel de energía. Por lo tanto, los electrones de un metal que experimente solo un pequeño campo eléctrico aplicado están libres para moverse porque hay numerosos niveles vacios disponibles cerca de los niveles de energía ocupados. El modelo de metales según la teoría de banda muestra que los metales son excelentes conductores eléctricos.

AISLANTES

Ahora considere las dos bandas de energía mas externas de un material en el que la banda inferior baja esta llena de electrones y la banda mas alta esta vacia. La nada mas baja de denomina banda de valencia, y la banda vacia superior se conoce como banda de conducción. (La banda de conducción es la que esta parcialmente llena en un metal.) Es común llamar brecha de energía del material a la separación de energía entre las bandas de valencia y de conducción.

Suponga que un material tiene un abrecha de energía relativamente grande, por ejemplo, unos 5eV.A 300 K (temperatura ambiente) KbT=0.025Ev , que es mucho menor que la brecha de enerrgia. A estas temperaturas, la distribución de fermi-dirac pronostica que hay muy pocos electrones térmicamente excitados dentro de la banda de conducción. No existen estados disponibles que se encuentren cerca en energía y dentro de la cual los electrones puedan moverse hacia arriba, para explicar la energía cinetica extra asociada con el movimiento por el material en respuesta aun campo eléctrico. En consecuencia, los electrones no se mueven y el material es un aislante . Aun cuando un aislante tiene muchos estados vacantes en su banda de conducción que puedan acepatr electrones, dichos estados están separados de los estados llenos por una gran brecha de energía. Solo unos pocos electrones ocupan tales estados, de modo que la conductividad eléctrica global de los aislantes es muy pequeña.

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores tienes el mismo tipo de estructura de banda que un aislante, pero la brecha de energía es mucho menor, del orden 1 eV. Por que el nivel de fermi esta situado cerca de la mitad de la brecha para un semiconductor y Eg es pequeña, un considerable numero de electrones son térmicamente excitados de la banda de valencia la banda de conducción. Debido a que hay muchos niveles vacios arriba de los niveles térmicamente llenos en la banda de conducción, una pequeña diferencia de potencial aplicada puede elevar fácilmente la energía d elos electrones de la banda de conduccion , lo cual resulta en una corriente moderada.

A T=0 K, todos los electrones en estos materiales están en la banda de valencia y no hay energía que los excite a cruzar la banda d eenergia. Por lo tanto , los semiconductore son malos conductores a temperaturas muy bajas. Porque la excitación térmica de los electrones al otro lado de la brecha angosta es mas probable a temperaturas mas altas, la conductividad de los semiconductores aumenta rápidamente con la temperatura. Esto contrasta claramente con la conductividad de los metales, que disminuye poco a poco al aumentar la temperatura.

Los portadores de carga de un semiconductor pueden ser negativos, positivos o ambos.

Cuando un electron se mueve de la banda de valencia y entra a la banda de conducción deja tras de si un sitio vacio, llamado hueco, en la banda de valencia que de otro modo estaría llena. Este hueco ( deficiente de electrones ) actua como portador de carga en el sentido de que un electron libre de un lugar cercano pueda entrar en el hueco. Siempre que un electron ingrese en un hueco, crea un nuevo hueco en el lugar que abandono. Debido a eso, el efecto neto se puede ver como el hueco que emigra por el material en dirección opuesta a la del movimiento de electrones. El hueco se comporta como si fuera una particula con una carga positiva.

Un cristal semiconductor puro que contiene solo un elemento o un compuesto se denomina semiconductor intrínseco. En este semiconductor existe igual numero de electrones y huecos de conducción. Estas combinaciones de cargas se llaman par electron hueco. En presencia de un campo eléctrico externo, los huecos se mueven en la dirección del campo y los electrones de conducción en la dirección opuesta al campo. Porque los electrones y huecos tienes signos contrarios, estos dos moviminetos corresponden a una corriente en la misma dirección.

SEMICONDUCTORES QUE CONTIENEN IMPUREZAS

Cuando se agregan impurezas aun semiconductor, la estructura de banda del semiconductor y su resistividad se modifican. El proceso de agregar impurezas, llamado adicion de impurezas, es importante para controlar la conductividad de los semiconductores. Por ejemplo, cuando un atomo que contiebe cinco electrones en la capa exterior, como el arsénico, se agrega a un semiconductor del grupo IV, cuatro de los electrones forman enlaces covalentes con los atomos del semiconductor y uno queda sobrante. Este electron extra esta casi libre de su atomo padre y puede modelarse con un nivel de energía que se encuentra en la brecha de energía, apenas por debajo de la banda de conducción. Este atomo pentavalente dona, en efecto, un electron a la estructura y , por esto, se conoce como atomo donador. Porque la separación entre el nivel de energía del electron del atomo donador y el fondo de la banda de conducción es muy pequeña ( por lo general de unos 0.05eV), es necesaria solo una pequeña cantidad de excitación térmica para hacer que este electron se mueva y entre en la banda de conducción. (recuerde que el promedio de energía de un electron a temperatura ambiente es de unos KBt=0.025eV) .

Los semiconductores a los que se agregan impurezas con atomos donadores se llaman semiconductores tipo n, porque la mayoría de los portadores de carga son electrones que tinees carga negativa.

Si un semiconductor del grupo IV se hace impuro por atomos que contengan tres electrones en su capa externa, por ejemplo el indio o el aluminio, los tres electrones forman enlaces covalentes con atomos semiconductores vecinos, lo que deja una deficiencia de electron- un hueco- donde estaría el cuarto enlace si hubiera un electron disponible de una tomo de impureza para formarlo. Esta situación puede modelarse colocando un nivel de energía eln la brecha de energia, justo por encima de la banda de valencia. Un electron desde la banda de valencia tiene suficiente energía a temperatura ambiente para llenar este nivel de impureza, dejando tras de si un hueco en la banda de valencia. Este hueco puede llevar corriente en presencia de un campo eléctrico. Porque un atomo trivalente acepta un electron de la banda de valencia, tales impurezas se conocen como atomos aceptadores. Un semiconductor en estado impuro con impurezas trivalentes ( aceptadores) se conoce como semiconductor de tipo p por que la mayoría de los portadores de carga son huecos cargados positivamente.

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