• Categories
• Semiconductores
• Dopaje (Semiconductor)
• Unión P – N
• Metales
• Electrón

Citation preview

1. Teoria de bandas y mar de electrones

A. http://www.quimitube.com/videos/enlace-metalico-teoria-de-bandas

Enlace metálico: teoría de bandas Explicación: https://www.youtube.com/watch?v=v14fiHMqCwU

En función de su conductividad eléctrica, los sólidos se pueden clasificar en tres grupos:aislantes,

conductores

y

semiconductores.

Esta

última

propiedad,

la semiconductividad, no puede ser explicada a partir del modelo del mar de electrones visto hasta ahora para el enlace metálico. Se requiere una teoría más profunda que es la teoría de bandas la cual, además de explicar la semiconductividad, explica también por qué los metales son muy buenos conductores de la electricidad. Consideremos el metal litio, cuya configuración electrónica es:

Vemos que un átomo de litio presenta un orbital 1s lleno (con 2 electrones) y un orbital 2s semilleno (con 1 electrón). También podemos considerar a efectos prácticos los orbitales 2p, que estarán en la capa de valencia del litio, aunque vacíos. Pues bien, la Teoría de bandas considera que los orbitales atómicos de valencia de los N átomos del litio que estarán formando enlace metálico, se combinan entre sí para dar unos orbitales moleculares, pertenecientes a todo el cristal y con energías muy semejantes entre sí. Tan cercanos se hallan energéticamente estos orbitales moleculares formados, que decimos que dan lugar a una banda. Se obtienen tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos se combinen.

(Nota: estrictamente no es del todo correcto, o al menos no es la terminología más precisa, hablar de orbitales moleculares en compuestos sólidos. No obstante, en este curso lo trataremos de este modo por ser sencillo y más intuitivo que el solo concepto de “banda de energía”). Así, si tenemos N átomos de litio, tendremos N orbitales atómicos 2s que darán lugar a N orbitales moleculares que podemos llamar también 2s por facilidad de comprensión. Estos orbitales estarán muy próximos en energía y darán una banda 2s. Lo mismo sucederá con los orbitales 3N 2p de los N átomos de litio (cada átomo de litio tendrá 3 orbitales 2p, px, py y pz), aunque estén vacíos, dando lugar también a una banda 2p. A la banda formada por los orbitales 2s semillenos se le llama banda de valencia. A la banda vacía formada por los orbitales 2p, se la llama banda de conducción.

Por tanto, en los metales, hay bandas de valencia, que son bandas en las que se hallan los electrones de valencia y pueden estar llenas o semillenas, dependiendo de la configuración electrónica del metal, y bandas de conducción, que pueden hallarse vacías o parcialmente vacías y facilitan la conducción porque son energéticamente accesibles. De hecho, los metales son conductores porque las bandas de valencia y de conducción se superponen, y esto hace que los electrones se muevan con libertad de una a otra. En el caso de los semiconductores, las bandas de valencia y de conducción no se superponen, pero la diferencia energética entre ambas es pequeña, por lo que una pequeña aportación energética hará que puedan promocionar electrones a la banda de conducción y, por tanto, conducir la corriente eléctrica. En los aislantes, por su parte, las dos bandas están tan alejadas que la banda de conducción es inaccesible, motivo por el cual son incapaces de conducir la corriente:

2. http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/35-enlace-metalico.html Teoría del mar de electrones Los metales tienden, por su baja energía de ionización, a perder electrones. Por tanto, podríamos considerar a un átomo metálico como un catión unido al electrón de valencia que podría perder. En un metal tenemos muchísimos átomos unidos entre sí. Entonces, podemos considerar a un metal como un conjunto de cationes metálicos inmersos en un mar de electrones de valencia deslocalizados. La atracción electrostática entre carga positiva (del catión) y negativa (del electrón) mantiene fuertemente unidos a todos los átomos del metal. La siguiente figura muestra un poco la idea del mar de electrones: Figura 3.7. Modelo del mar de electrones: cationes metálicos inmersos en una gran cantidad de electrones móviles

Tomado de: Tutorvista.com (http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/chemicalbonding/bonding-metallic-solids.php)

Los electrones de valencia deslocalizados actúan como un pegamento electrostático, manteniendo unidos a los cationes metálicos. Es algo similar a lo que ocurre en el enlace iónico, donde ocurre atracción catión-anión. En este caso, ocurre la atracción catión-electrón. El modelo del mar de electrones explica de manera sencilla las propiedades de los metales. La ductilidad y maleabilidad ocurre debido a que la deslocalización de electrones ocurre en todas las direcciones a manera de capas. Por tanto, ante un esfuerzo externo, estas capas se deslizan unas sobre otras, sin que se rompa la estructura. Por otro lado, dado que los electrones son móviles, permiten el flujo de corriente eléctrica, explicándose la conductividad eléctrica. Asimismo, ese movimiento de electrones puede conducir calor, transportando energía cinética de una parte a otra del metal.

Observaciones Estas propiedades varían en intensidad de un elemento metálico a otro. A mayor cantidad de electrones de valencia que posea el metal, el pegamento electrostático será más fuerte.

Ejercicio 3.10 Explica el hecho de que un trozo de sodio metálico ( 11Na) puede cortarse con un cuchillo, mientras que es imposible hacer lo mismo con un trozo de hierro (26Fe).

Teoría de bandas La teoría de bandas se basa en el hecho de que los átomos que conforman un metal contiene orbitales atómicos, los cuales pueden estar llenos o vacíos. Si tenemos una gran cantidad de átomos muy juntos entre ellos, la superposición de orbitales da lugar a regiones, las cuales se denominan bandas. Analicemos el caso de magnesio, un metal con número atómico 12. Su configuración electrónica es [Ne]3s2, esto quiere decir que cada átomo tiene dos electrones de valencia ubicados en el orbital 3s, quedando los orbitales del subnivel 3p vacíos. Por tanto, al considerar el metal como muchos átomos de magnesio juntos, podemos imaginar la aparición de bandas, que no son más que muchos orbitales superpuestos. Una banda, correspondiente a la superposición de los orbitales 3s, estará llena de electrones y se llamará BANDA DE VALENCIA (porque contiene

a los electrones de valencia). La banda formada por los orbitales del subnivel 3p está adyacente, pero vacía. Esta banda se denomina BANDA DE CONDUCCIÓN. Figura 3.8. Diagrama de bandas para el magnesio.

En todo metal, las bandas de valencia y de conducción están muy próximas entre sí, y la energía necesaria para que un electrón pase de la banda de valencia a la de conducción es despreciable. Para que un metal conduzca la corriente, debe ocurrir el salto de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Sin embargo, hay algunos elementos de la tabla que se comportan como semiconductores. Estas especies son conductoras de la corriente y el calor sólo bajo ciertas condiciones. Ejemplo de semiconductores son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Y, además, otros elementos de la tabla se comportan como aislantes, es decir, no conducen nunca la corriente eléctrica. Un ejemplo es el azufre (S). ¿Por qué ocurre esto? En estos casos, es de esperar que la separación entre las bandas de valencia y de conducción sea mayor. En el caso de los semiconductores, la separación (Gap en inglés) es apreciable, pero es posible que un electrón pase a la banda de conducción al aplicarle cierta energía. En el caso de los aislantes, este salto no es posible, dada la gran diferencia energética que hay entre ambas bandas. Figura 3.9. diferencia energética entre las bandas de valencia y de conducción en un metal, semiconductor y aislante.

Dopaje Los semiconductores han ganado una gran importancia en los últimos tiempos, más aún con el desarrollo de la energía solar. Los paneles solares están basados en silicio, un material semiconductor. Pero ¿por qué se usa silicio, si sabemos que es un material que conduce poco la corriente? Debemos recordar que un semiconductor conduce la corriente por aplicación de energía, que bien puede ser la energía que recibimos del sol. Pero también, podemos mejorar la conductividad del semiconductor por un proceso denominado dopaje. El dopaje consiste en introducir impurezas dentro del semiconductor para modificar su comportamiento. Las impurezas en mención son pequeñas cantidades de otros elementos químicos. Estas cantidades son tan pequeñas, que puede existir un átomo de la impureza por cada cien millones de átomos del semiconductor. Analicemos al silicio, elemento del grupo 4 de la tabla. ¿Qué pasaría si reemplazamos un átomo de silicio por un átomo de fósforo? Dado que el fósforo es un elemento del siguiente grupo, tiene un electrón de valencia extra. Esto quiere decir que en la red metálica del silicio tendremos un electrón extra, que puede moverse por toda la red y, por tanto, conducir la corriente eléctrica. El proceso de añadir al silicio un elemento con un electrón de valencia extra se denomina DOPAJE NEGATIVO, ya que existe un exceso de electrones dentro de la red metálica. Figura 3.10. Silicio dopado con fósforo.

Tomado de: "Esacademic" (http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/388497)

Por otro lado, la inserción de un átomo del grupo 3 dentro de la red del silicio producirá un “hueco” dentro de la estructura, justo donde estaba el electrón del átomo de silicio extraído. Este “hueco” mejorará también la conductividad, ya que los electrones adyacentes pueden desplazarse hacia el hueco, originándose movimiento de electrones, lo cual es imprescindible para la conductividad. El proceso de añadir al silicio un elemento con un electrón de valencia menos se denomina DOPAJE POSITIVO, ya que en este caso hay un déficit de electrones con respecto al semiconductor de partida. Un ejemplo lo constituye el dopaje de silicio con boro. Figura 3.11. Silicio dopado con boro.

Tomado de: "Esacademic" (http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/388497)

Observación El dopaje, ya sea positivo o negativo, mejora la conductividad eléctrica del semiconductor. La elección del tipo de dopaje dependerá del uso final que se le dé al dispositivo.

1.DOPAJE DE SEMICONDUCTOR A. http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/ele c_basica/tema2/TEMA2.htm Dopado de un semiconductor

Caso 1 Caso 2 Para aumentar la conductividad (que sea más conductor) de un SC (Semiconductor), se le suele dopar o añadir átomos de impurezas a un SC intrínseco, un SC dopado es un SC extrínseco. Caso 1 Impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.

Los átomo de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se hace electrón libre. Esto es, como solo se pueden tener 8 electrones en la órbita de valencia, el átomo pentavalente suelta un electrón que será libre. Siguen dándose las reacciones anteriores. Si metemos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos). A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

Caso 2

Impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Tenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.

Los átomo de valencia 3 tienen un electrón de menos, entonces como nos falta un electrón tenemos un hueco. Esto es, ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptor". A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).

http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electronica/01d56993840f26d07/01d56994 e30f40632/

SEMICONDUCTORES Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo. El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

- Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila. - Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila. - Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio. - Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica. Semiconductores P y N En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos: • Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico. • Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio. Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N.

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P.

Unión PN Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN . Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse. Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de potencial» que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante. Unión PN polarizada en directo Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N , la tensión U de la pila contrarresta la «barrera de potencial»

creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrarío. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica. Unión PN polarizada en inverso Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P (figura 6), la tensión U de la pila ensancha la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión. La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción eléctrica; dependiendo (le¡ sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en dire(-to) o como un aislante (polarizada en inverso).