Materiales Aislantes

Materiales aislantes. Materiales semiconductores. Propiedades térmicas. Aplicaciones en ingeniería.

• MATERIALES AISLANTES

Los aislantes eléctricos deben tener muy baja conductividad, o alta resistividad, para evitar el flujo de corriente, también deben ser capaces de resistir intensos campos eléctricos. La banda de conducción de los aislantes esta vacía. La zona prohibida, debajo de la banda de conducción, representa una gran barrera energética, y normalmente, se de produce la promoción de electrones a la banda de conducción.

Los aislantes se producen de materiales cerámicos y poliméricos en los que hay una gran brecha de energía entre las bandas de valencia y de conducción, no obstante, la alta resistividad eléctrica de estos materiales no siempre es suficiente. A altos voltajes, puede ocurrir una catastrófica ruptura del aislante, y pude fluir la corriente. Para seleccionar apropiadamente un material aislante, se debe comprender la forma en que el material almacena y conduce carga eléctrica. La porcelana, alúmina, cordierita, mica y algunos vidrios y plásticos se usan como aislantes.

• MATERIALES SEMICONDUCTORES

En el grupo 4B de la tabla periódica se encuentran el grupo de los semiconductores elementales entre los cuales están el germanio y el silicio. Los semiconductores compuestos están formados por elementos de los grupos 2B y 6B de la tabla periódica (Por ejemplo: CdS, CdSe, CdTe, HgCdTe, etc.), se conocen como semiconductores II-VI (dos-seis). También pueden formarse al combinar elementos de los grupos 3B y 5B de la tabla periódica (Por ejemplo: GaN, GaAs, AlAs, AlP, InP, etc.), se conocen como semiconductores III-V (tres-cinco).

Los semiconductores pueden dividirse en dos tipos, semiconductores elementales, los cuales solo contienen un tipo de átomo y los semiconductores compuestos, los cuales están formados por 2 o mas elementos. A temperatura ambiente, los únicos semiconductores elementales son, el silicio, el germanio, el estaño gris y el carbono en forma de grafito.

Un semiconductor intrínseco es aquel con propiedades que no están controladas por sus impurezas. Un semiconductor extrínseco (tipo n o p) es el preferido para dispositivos, ya que sus propiedades son estables en función de la temperatura y pueden ser controlados usando implantaciones de iones o difusión de impurezas conocidas como dopantes o adulterantes. Los materiales semiconductores, incluyendo al sillico y al germanio, son los elementos para la fabricación de numerosos dispositivos electrónicos. Tienen una conductividad que se puede controlar con facilidad y, cuando se combinan en forma apropiada, pueden actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos para almacenar información.

En semiconductores intrínsecos, se controla el número de portadores de carga y, en consecuencia, la conductividad eléctrica al controlar la temperatura. La temperatura de cero absoluto, de todos los electrones están en la banda de valencia, mientras que todos los niveles de la banda de conducción están desocupados. Cuando se aumenta la temperatura, hay una mayor probabilidad de que un nivel de energía de la banda de conducción sea ocupado. El incremento en la conductividad con la temperatura en semiconductores hace un fuerte contraste con la disminución en la conductividad de metales con una temperatura creciente, a altas temperaturas la continuidad de un metal es de varios órdenes de magnitud que la conductividad de un semiconductor.

Semiconductores extrínsecos: La dependencia en la temperatura, que tiene la conductividad en semiconductores intrínsecos, es casi exponencial pero no es útil aplicaciones prácticas. No se puede controlar con precisión el comportamiento de un semiconductor intrínseco porque ligera variaciones en temperatura pueden cambiar de manera importante la conductividad. Al agregar intencionalmente un pequeño numero de átomos de impurezas al material. Es posible producir un semiconductor extrínseco. La conductividad del semiconductor extrínseco depende principalmente del número de átomos de impurezas, o dopante, y en cierto margen de temperatura es independiente de la temperatura. Esta capacidad de tener una conductividad ajustable, independiente de la temperatura, es la razón por la que casi siempre se usan semiconductores extrínsecos para fabricar dispositivos eléctricos.

• PROPIEDADES TÉRMICAS

Capacidad térmica y calor específico: El fotón es tratado como partícula con una energía particular o como radicación electromagnética que tiene una longitud de onda o frecuencias particulares. Algunas de las propiedades térmicas de los materiales también pueden caracterizarse en la misma forma dual, pero estas propiedades son determinadas por el comportamiento de los fonones, no de los fotones.

La energía necesaria para cambiar en un grado la temperatura del material es la capacidad calorífica o calor especifico. La capacidad calorífica es la energía necesaria para elevar, en un grado, la temperatura de un mol de material. El calor específico

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