Estructura Atómica

Estructura Atómica

La materia es todo aquello que tiene masa y que ocupa un lugar en el espacio. Se compone de partículas muy pequeñas llamadas átomos que a su vez constituyen una molécula. Las moléculas están compuestas por átomos, que son la parte mas pequeña en que se puede dividir un cuerpo simple, conservando sus propiedades químicas. Por ejemplo una molécula de agua (H2O) es un compuesto químico que consta de dos átomos, 2 de hidrogeno y 1 de oxigeno.

Los Átomos están formados por partículas subatómicas: ELECTRONES, NEUTRONES en proporciones diversas. El electrón es la carga eléctrica negativa (-). Los electrones se desplazan alrededor del núcleo o centro del átomo en trayectorias de capas concéntricas llamadas ORBITAS.

El protón es la carga positiva (+), el núcleo contiene protones y el número de estos en un átomo dan el nombre de número atómico. Por ejemplo el átomo de silicio tiene 14 protones en el núcleo por lo tanto su número atómico es de 14. También el neutrón que es el la carga fundamental de igual manera se encuentra en el núcleo.

Los átomos tienen elementos distintos que hacen diferente entre sí. En su estado natural un átomo de cualquier elemento contiene igual número de electrones y protones, es por esto que un átomo el eléctricamente neutro bajo estas condiciones.

Un átomo estable (neutro), tiene la misma cantidad de protones y electrones y a su vez tienen energías diferentes (niveles de energía) en un electrón el nivel de energía proporcional a la distancia respecto al núcleo.

Por consiguiente, los niveles de energía de los electrones en las capas mas alejadas del núcleo son mayores que los que se encuentran en las capas mas cercanas a él.

Los electrones que se hallan en la capa externas se denominan ELECTRONES DE VALENCIA.

Si a un material se le aplica energía externa en forma de calor, luz ó energía eléctrica sus electrones ganan energía, esto puede hacer que se muevan a un nivel superior de energía. Un átomo que gana energía se dice que esta en estado de excitación.

IMPORTANTE

Cuando un electrón se ha movido hacia la capa exterior de su átomo, la atracción producida por los protones del núcleo será mínima. Si se aplica entonces suficiente energía al átomo, algunos de sus electrones situados en la capa exterior (electrones de valencia) la abandonarán. Esos electrones reciben el nombre de electrones libres y su movimiento es el causante de la corriente eléctrica en un conductor.

Cada capa de un átomo sólo puede contener cierto número de máximo de electrones sin perder su estabilidad. Ese número recibe el nombre de cuota de una capa. Los electrones que orbitan se encuentran en capas sucesivas denominan K, L, M, N, O, P y Q en orden creciente de distancias respectivas al núcleo. El número máximo de electrones de cada capa esta determinado por la estabilidad. Después que la capa K se llena con 2 electrones, en la capa L puede acomodar hasta 8 electrones. El número máximo de electrones en las capas restantes puede ser 8, 18, 32 en los diferentes elementos. Sin embargo el máximo para la capa externa siempre es 8.

CARGA ELECTRICA

Los átomos pueden perder o ganar electrones provocando la transferencia de electrones de un objeto a otro. Por lo tanto un objeto contendrá electrones en exceso y su carga tendrá polaridad negativa (-). El otro objeto tendrá exceso de protones y su carga deberá tener polaridad positiva (+).

La ley de las cargas eléctricas puede expresarse así:

La característica fundamental de una carga eléctrica es su capacidad para ejercer una fuerza la cual se manifiesta dentro del campo electro-estático que rodea a todo objeto cargado. Cuando dos objetos de polaridad opuesta se acercan, el campo electroestático se concentra en la región que se encuentra entre ellos. Cuando dos objetos de polaridad idéntica las líneas de fuerza se repelerán haciendo que los objetos se alejen.

DIFERENCIA DE POTENCIAL

Debido a la fuerza de su campo eléctrico, una carga eléctrica tiene la capacidad de efectuar un trabajo al mover una carga por atracción o por repulsión. La capacidad de una carga para realizar trabajo se llama potencial.

Cuando dos cargas no son iguales, debe haber entre ellas una diferencia de potencial, la suma de las diferencias de potencial entre todas las cargas del campo electroestático recibe el nombre de FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM). Su unidad básica es el Volt y el símbolo es (v) e indica la capacidad de efectuar un trabajo para que los electrones se muevan.

CORRIENTE

Es el movimiento o flujo de electrones y se denomina corriente. Para producirla los electrones deben moverse por efecto de una diferencia de potencial. El símbolo es I y la unidad de medida es el Amper (A).

Cuerpo

negativo (-)

Cuerpo

positivo (+)

Semiconductor

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente.

Elemento Grupo Electrones en

la última capa

Cd

II A 2 e-

Al, Ga, B, In

III A 3 e-

Si, Ge

IV A 4 e-

P, As, Sb

V A 5 e-

Se, Te, (S)

VI A 6 e-

El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

ESTRUCTURA DEL CRISTAL

Los materiales que tienen una disposición atómica regular se denominan cristales. Es decir, los átomos se asocian formando figuras geométricas semejantes. La estructura cristalina es característica de casi todas las sustancias sólidas. Teniendo como excepciones vidrios que representan líquidos congelados.

Los átomos se unen de diversas formas dando origen a distintos enlaces atómicos:

a. Enlaces iónicos

b. Enlaces covalentes

c. Enlaces metálicos

Si bien los tres son interesantes, para el análisis de los semiconductores importa conocer de modo especial el enlace covalente.

Enlaces Covalentes

Los átomos se unen compartiendo pares electrónicos. Es decir, los electrones de valencia se comparten dos a dos entre átomos vecinos afines, girando coordinadamente alrededor del núcleo. La propiedad que presenta el enlace covalente de compartir electrones constituye la base de toda la teoría de la conducción de los semiconductores

Bandas de Energías

Los niveles cuánticos o de energía interesantes para el estudio de los semiconductores son los correspondientes a la última capa de la orbita, generalmente incompleta, y a la inmediatamente inferior, pues ambas son las que engendran respectivamente las bandas de conducción y de valencia.

Los niveles de energía de cada átomo sufren la influencia de los demás átomos, y se desdoblan en múltiples niveles de energía adyacentes que conforman las bandas de conducción y de valencia.

Banda de Valencia: Es la zona en la que los electrones se encuentran semilibres

Banda de conducción: Es la zona donde los electrones se encuentran con la suficiente energía como para moverse libremente en la estructura cristalina.

Banda Prohibida: Zona cerrada al paso libre de los electrones entre las bandas de conducción y valencia.

En un conductor, las bandas de valencia y conducción se encuentran entrecruzadas y prácticamente desaparece la banda prohibida. En un aislante, la banda prohibida es varios eV (electrón-Volt) y en el caso de los semiconductores, ella es de aproximadamente 1 eV, prácticamente insuperable.

Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida, porque en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos considerar tres situaciones:

Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.

Los aislantes (o insuladores), en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los

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