Estructura de la Materia Materiales Conductores Materiales Semiconductores y Materiales Dieléctricos 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14.

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1 Estructura de la Materia Materiales Conductores Materiales Semiconductores y Materiales Dieléctricos Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ

2 Estructura del Átomo Cualquier fenómeno eléctrico es debido a la existencia del átomo. Todo átomo esta constituido en su centro por un núcleo, el cual está conformado por neutrones y protones. Los neutrones no poseen carga eléctrica, es decir, no son ni positivos ni negativos. Los protones son de carga eléctrica positiva o (+). Alrededor del núcleo giran a gran velocidad los electrones. El electrón posee una carga eléctrica negativa o (-). Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

3 Estructura del Átomo (2)
Los átomos pueden tener varias órbitas con electrones. En la última órbita de un átomo puede haber como mínimo un electrón y como máximo solamente ocho electrones.

4 Estructura del Átomo (3)
El Átomo Neutro: Se dice que un átomo está neutro o en equilibrio cuando tiene la misma cantidad de electrones y de protones. Los neutrones siempre existen en número par. La Ley del Octeto: Esta ley dice que todo átomo tiende a completar ocho electrones en su última órbita. Para esto, si es necesario, tomarán electrones de los átomos vecinos.

5 Clasificación de materiales según su conductividad
Según la cantidad de corriente eléctrica que pueda pasar, los materiales se clasifican en: Conductores Semiconductores Aislantes Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

6 Materiales Conductores
Son todos aquellos que permiten que una corriente eléctrica circule fácilmente a través de ellos. Entre estos materiales tenemos todos los metales. Los mejores conductores son La Plata, El Oro y el Cobre. Se emplea mucho éste último por ser barato. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

7 Materiales Conductores (2)
Todo material conductor posee entre uno y tres electrones en su última órbita. A estos electrones se les llama "Electrones Libres" porque el átomo los puede perder o robar fácilmente y así permite la conducción de una corriente. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

8 Tienen desde cinco hasta ocho electrones en su última órbita.
Materiales Aislantes Tienen desde cinco hasta ocho electrones en su última órbita. Ellos no ceden sus electrones y por lo tanto no permiten paso de corriente. El caucho, la porcelana, el plástico, el vidrio, son materiales aislantes. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

9 Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

10 Materiales Semiconductores
Tienen Cuatro electrones en su última órbita. Por estar en la mitad del octeto se pueden convertir en aislantes o en conductores mediante procedimientos de laboratorio llamados Doping (Dopaje). El Germanio (Ge) y el Silicio (Si) son los semiconductores de mayor uso. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

11 Materiales Semiconductores (2)
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: A la temperatura de 0oK se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

12 Materiales Semiconductores (3)
Los materiales semiconductores más comunes son el silicio (Si) el germanio (Ge), pero también hay otros materiales compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), el telurio de cadmio (CdTe) y otros muchos. Todos estos materiales están compuestos por elementos que tienen cuatro electrones en su capa exterior, como el Si y el Ge que están en la fila IV de la tabla periódica, o por dos elementos distintos uno de la fila III y otro de la V, de manera que entre los dos suman ocho electrones en su capa más exterior. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

13 Estructura del silicio
Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (después del oxígeno) con un porcentaje en peso del 25,7%. Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las condiciones adecuadas puede obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En éstas, los átomos se disponen según una red tipo diamante con simetría cúbica, en donde cada átomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los átomos tienen la última órbita completa con ocho electrones.

14 Estructura del silicio (2)
En la figura se aprecia que todos los electrones de valencia están asociados a un enlace covalente. Por tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro y monocristalino a 0oK se comporta como un material aislante.

15 Generación térmica de portadores.
Si se eleva la temperatura del monocristal de silicio por encima de 0oK, parte de la energía térmica permite liberar alguno de los electrones. Ello produce dos efectos: Aparece un electrón libre capaz de moverse a través de la red en presencia de un campo eléctrico. En el átomo al que se asociaba el electrón aparece un defecto de carga negativa, es decir, una carga positiva, que se denomina hueco. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

16 Generación térmica de portadores (2)
Globalmente, el cristal mantiene la neutralidad eléctrica, ya que no ha ganado ni perdido cargas. Cuando se producen electrones libres en un semiconductor únicamente por agitación térmica, existen huecos y electrones en números iguales, porque cada electrón térmicamente excitado deja detrás de sí un hueco. Un semiconductor con un número igual de huecos y electrones se denomina intrínseco. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

17 Impurificación o dopado de los semiconductores
En un semiconductor intrínseco las concentraciones de huecos y de electrones pueden alterarse mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos llamados impurezas o dopantes, a la composición cristalina. Este procedimiento se llama contaminación del semiconductor. Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda de energía y cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.

18 Impurificación o dopado de los semiconductores (2)
La cuestión es: ¿Qué sucede si además de elevar la temperatura por encima de 0oK consideramos la presencia de impurezas en el silicio?. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

19 Impurificación o dopado de los semiconductores (3)
Supongamos que sustituimos un átomo de silicio (que pertenece al grupo IV) por otro de fósforo (grupo V), pentavalente. Como sólo hay la posibilidad de establecer cuatro enlaces covalentes con los átomos de silicio adyacentes, un electrón quedará libre. Teniendo en cuenta esto, es fácil deducir que es lo que ocurrirá si se sustituye un átomo de silicio por otro de un elemento perteneciente al grupo III, el boro por ejemplo: evidentemente se introducirá un hueco, ya que el boro solo aporta tres electrones de valencia. Las dos situaciones se clarifican en la siguiente figura :

20 Impurificación o dopado de los semiconductores (4)
Si la sustancia contaminante tiene electrones libres extra, se conoce como donador, y el semiconductor contaminado es de tipo n. Los portadores mayoritarios son electrones y los portadores minoritarios son huecos. El tipo n se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

21 Ejemplo de Semiconductor tipo n
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

22 Impurificación o dopado de los semiconductores (5)
Si la sustancia contaminante tiene huecos extra, se conoce como aceptor o receptor, y el semiconductor contaminado es de tipo p. Los portadores mayoritarios son huecos y los portadores minoritarios son electrones. El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, galio e indio. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

23 Ejemplo de Semiconductor tipo p
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

24 Conducción eléctrica en Semiconductores
Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos tipos de corrientes: Corrientes por arrastre de campo Corrientes por difusión Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

25 Conducción por arrastre de campo
Supóngase que se dispone de un semiconductor con un cierto número de electrones y de huecos, y que se aplica en su interior un campo eléctrico : Electrones libres: La fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico. De este modo se originará una corriente eléctrica. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

26 Conducción por arrastre de campo (2)
La densidad de la corriente eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (qE), del número de portadores existentes y de la "facilidad" con que estos se mueven por la red. Es decir : En donde: Je = Densidad de corriente de electrones e = Movilidad de los electrones en el material n = Concentración de electrones q = Carga eléctrica. E = Campo eléctrico aplicado

27 Conducción por arrastre de campo (3)
En donde: Je = Densidad de corriente de electrones e = Movilidad de los electrones en el material n = Concentración de electrones q = Carga eléctrica. E = Campo eléctrico aplicado La movilidad es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del electrón a través de la red cristalina. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

28 Conducción por arrastre de campo (4)
El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se repite, el hueco continuará desplazándose. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

29 Conducción por arrastre de campo (5)
Aunque este movimiento se produce por los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo por los enlaces. La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia

30 Conducción por difusión de portadores :
Como ejemplo, considere que en un compartimiento se introduce un gas A, y en el otro un gas B. Si en un momento determinado se abre una comunicación entre las dos estancias parte del gas A atravesará la pared para ocupar el espacio contiguo, al igual que el B. El resultado final es que en ambas estancias tendremos la misma mezcla de gases A+B. La difusión de partículas es un mecanismo de transporte puramente estadístico, que lleva partículas "de donde hay más, a donde hay menos", siempre que no haya ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar dicho proceso.