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Ensayo Clasificación de los Sólidos en Base a su Conductividad Teoría de Bandas

Materia: Química I Maestro: M.A. María Salome de la Rosa Olvera Alumno: Jesús Erandy Reyes Monatañez Carrera: Electromecánica 1.-“A” Fecha de Entrega: 10/10/2016

Introducción._ Como tema de ensayo se investiga la clasificación de solidos según su conductividad eléctrica, al igual que la teoría de bandas que es la teoría según la cual se describe la estructura electrónica de un material como una estructura de bandas electrónicas, o simplemente estructura de bandas de energía. La teoría se basa en el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares. Una forma útil de visualizar la diferencia entre conductores, aislantes y semiconductores, es dibujar las energías disponibles de los electrones en el material. En lugar de tener energías discretas como en el caso de átomos libres, los estados de energía disponibles forman bandas. La existencia de electrones en la banda de conducción, es crucial para el proceso de conducción. En los aislantes, los electrones de la banda de valencia están separados de la banda de conducción, por una banda prohibida grande. En los conductores como los metales la banda de valencia se superpone con la banda de conducción, y en los semiconductores existe una banda prohibida suficientemente pequeña entre las bandas de valencia y conducción, que los electrones pueden saltarla por calor u otra clase de excitación. Con tales bandas prohibidas pequeñas, la presencia de un pequeño porcentaje de material dopante, aumenta la conductividad de forma espectacular.

Esta teoría explica el comportamiento de los materiales al paso de la corriente desde una perspectiva más científica. – Se define Banda de Valencia (BV) al conjunto de energía que poseen los electrones de valencia. – Se define Banda de Conducción (BC) al conjunto de energía que poseen los electrones para desligarse de sus átomos. Los electrones que estén en esta banda pueden circular por el material si existe una tensión eléctrica que los empuje entre dos puntos. En base a estos dos conceptos se tienen tres casos: Conductores, aislantes y semiconductores. Bandas de Energía en Conductores: En términos de la teoría de bandas en sólidos, los metales son únicos como buenos conductores de la electricidad. Esto puede verse como el resultado de que sus electrones de valencia están esencialmente libres. En la teoría de bandas, esto se dibuja como una superposición de la banda de valencia con la banda de conducción, para que al menos una fracción de los electrones de valencia pueda moverse a través del material. Bandas de Energía en Aislantes: La mayoría de las sustancias sólidas son aislantes, y en términos de la teoría de bandas de sólidos esto implica, que hay un gran espacio prohibido entre las energías de los electrones de valencia, y la energía a la cual se pueden mover los electrones libremente por el material (la banda de conducción). El vidrio es un material aislante que puede ser transparente a la luz visible, por razones estrechamente relacionadas con su naturaleza como aislante eléctrico. Los fotones de luz visible no tienen suficiente energía cuántica para saltar la banda prohibida, y levantar los electrones hasta un nivel de energía disponible en la banda de conducción. Bandas de Energía en Semiconductores: En los semiconductores intrínsecos como el silicio y el germanio, el nivel de Fermi está esencialmente a mitad de camino entre las bandas de valencia y conducción. Aunque no ocurre conducción a 0ºK, a temperaturas superiores un número finito de electrones pueden alcanzar la banda de conducción y proporcionar algo de corriente. En un semiconductor dopado, se agregan niveles de energía extras.

Bandas de Energía del Silicio A temperatura finita, el número de electrones que alcanzan la banda de conducción y contribuyen a la corriente se puede modelar con la función de Fermi. Esa corriente es pequeña comparada con la de los semiconductores dopados bajo las mismas condiciones. En los semiconductores y en los aislantes, la banda de valencia no se solapa con la de conducción. Hay una zona intermedia llamada banda prohibida. En los semiconductores, como el Silicio o el Germanio, la anchura de la banda prohibida no es muy grande y los electrones con suficiente energía cinética pueden pasar a la banda de conducción, por esa razón, los semiconductores conducen la electricidad mejor en caliente. Sin embargo, en los aislantes, la banda prohibida es tan ancha que ningún electrón puede saltarla. La banda de conducción está siempre vacía.

Conclusiones._ La teoría de bandas permite explicar la conducción de electricidad en los metales. En estos materiales las bandas de valencia (la última completamente ocupada por electrones a baja temperatura) y de conducción (la primera completamente vacía a baja temperatura) se cruzan, permitiendo que los electrones en estados de valencia se muevan como si fueran libres saltando a estados de conducción. Para explicar el por qué se requieren ciertos conocimientos de física cuántica. De esta manera se logra entender más sobre las propiedades de los materiales y el porqué de su comportamiento, es muy importante ya que gracias a ello podemos encontrar nuevos usos dentro del campo de la innovación tecnológica al igual que al mejoramiento de tecnologías ya existentes haciéndolas más compactas y eficientes. Los materiales conductores, aislantes y semiconductores hoy en día son de mucha importancia dentro del campo tecnológico de la electrónica y mecatrónica, estos materiales pueden optimizar el funcionamiento de máquinas o circuitos eléctricos para obtener mejores resultados en funcionamiento y rendimiento.