INTRODUCIN

INTRODUCIN. MATERIALES CONDUCTORESTodos los cuerpos o elementos qumicos existentes en la naturaleza poseen caractersticas diferentes, agrupadas todas en la denominada Tabla de Elementos Qumicos. Desde el punto de vista elctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categoras:

Conductores

Aislantes

Semiconductores

Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente elctrica. Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulacin de la corriente elctrica y en otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente elctrica. En la figura superior se muestran algunos de esos materiales: A) Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energa elctrica de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribucin de energa elctrica de media tensin. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen materiales o cuerpos que ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente elctrica.MATERIALES CONDUCTORES

En la categora conductores se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente elctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribucin de la energa elctrica de alta, media y baja tensin, as como para la fabricacin de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos elctricos y electrnicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).Los conductores de cobre son los materiales ms utilizados en los circuitos elctricos por la baja resistencia que presentan al paso de la corriente.En general el ncleo de los tomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos slidos, lquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias rbitas, capas o niveles de energa. Al tomo de cada elemento contemplado en la Tabla de Elementos Qumicos le corresponde un nmero atmico que sirve para diferenciar las propiedades de cada uno de ellos. Ese nmero coincide tambin con la cantidad total de electrones que giran alrededor del ncleo de cada tomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la ltima capa u rbita slo pueden girar de uno a ocho electrones como mximo.Diferentes formas de representar de forma grfica un mismo tomo, en este caso de cobre (Cu): A) Normal, en la que aparecen todos los electrones girando alrededor del ncleo de ese elemento en sus respectivas rbitas.B) Representacin plana en la que se pueden observar, de forma parcial, las cuatro rbitas o niveles de energa que le corresponden a ese tomo con la distribucin numrica de todos los electrones que posee en cada una de ellas. (29 en total). C) La misma representacin plana, pero mssimplificada, en la que se muestra solamente la ltima rbita o banda de valencia, identificada con. el nmero 1, o sea, el nico electrn que posee en esa posicin. D) El mismo tomo mostrado ahora en representacin plana, con la ltima rbita y el nico electrn que gira en la misma.

Banda de valencia

Como ya conocemos, todos tomos que integran cualquier cuerpo material poseen rbitas o capas, denominadas tambin niveles de energa, donde giran electrones alrededor de sus ncleos. La ltima de esas capas se denomina banda de valencia y es donde giran los electrones que en unos casos el tomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros tomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energa que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor.

En el caso de los metales en la ltima rbita o banda de valencia de sus tomos slo giran entre uno y tres electrones como mximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los excitamos empleando mtodos fsicos o qumicos. Las respectivas valencias de trabajo (o nmeros de oxidacin) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.

Esos nmeros con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que pueden ceder los tomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno en la ltima rbita.

En general la mayora de los elementos metlicos poseen conductividad elctrica, es decir, se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que poseen un solo electrn (a los que les corresponde el nmero de valencia +1, como el cobre), son los que conducen la corriente elctrica con mayor facilidad.En los conductores elctricos las bandas de energa, formadas por la banda de conduccin y la banda de valencia del elemento metlico, se superponen facilitando que los electrones puedan saltar desde la ltima rbita de un tomo a la de otro de los que integran tambin las molculas del propio metal. Es por eso que cuando se aplica corriente elctrica a un circuito formado por conductores de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metlico del alambre que integra el cable.

Normalmente las bandas de energas se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una banda de conduccin y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada banda prohibida. La funcin de esta ltima es impedir o dificultar que los electrones salten desde la banda de valencia hasta la banda de conduccin. En el caso de los metales la banda prohibida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energa para saltar de una banda a la otra.

Debido a que en los metales conductores de corriente elctrica la banda de valencia o ltima rbita del tomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energticos vacos que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reaccin qumica, o una reaccin fsica como la aplicacin de calor o la aplicacin de una diferencia de potencial (corriente elctrica) que ponga en movimiento el flujo electrnico.

En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, as como una alta ocupacin de niveles de energa en la banda de conduccin. Hay que destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente elctrica que el cobre, la mayora de los cables se fabrican con este ltimo metal o con aluminio en menor proporcin, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente elctrica, pero mucho ms baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.MATERIALES AISLANTES O DIELCTRICOSA diferencia de los cuerpos metlicos buenos conductores de la corriente elctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintticas, los plsticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o dielctricos.Al contrario de lo que ocurre con los tomos de los metales, que ceden sus electrones con facilidad y conducen bien la corriente elctrica, los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su ltima rbita, lo que les impide cederlos. Esa caracterstica los convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.En los materiales aislantes, la banda de conduccin se encuentra prcticamente vaca de portadores de cargas elctricas o electrones, mientras que la banda de valencia est completamente llena de estos.Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la banda prohibida, cuya misin es impedir que los electrones de valencia, situados en la ltima rbita del tomo, se exciten y salten a la banda de conduccin.

La energa propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energa de salto de banda (Eg) que requeriran poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Los primeros semiconductores utilizados para fines tcnicos fueron pequeos detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocan como de galena. Ese nombre lo tom el radiorreceptor de la pequea piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que haca la funcin de diodo y que tenan instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonizacin se obtena moviendo una aguja que tena dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conoca que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas.

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubri que si a ciertos cristales se le aada una pequea cantidad de impurezas su conductividad elctrica variaba cuando el material se expona a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoelctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador tambin de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron transistor y que se convertira en la base del desarrollo de la electrnica moderna.

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen caractersticas intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulacin de la corriente elctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar seales de radio, amplificar seales de corriente elctrica, funcionar como interruptores, transistores, circuitos integrados o microprocesadores.

Los tomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su ltima rbita, de acuerdo con el elemento especfico al que pertenecen. No obstante, los elementos ms utilizados por la industria electrnica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su ltima rbita. En este caso, el equilibrio elctrico que proporciona la estructura molecular cristalina caracterstica de esos tomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los tomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente elctrica fluya a travs de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente elctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad elctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductorLa mayor o menor conductividad elctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente tambin aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad tambin aumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes mtodos:

Elevacin de su temperatura

Introduccin de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina

Incrementando la iluminacin.

Con relacin a este ltimo punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR Light-dependant resistors), varan su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.

SEMICONDUCTORES "INTRNSECOS"

Los materiales semiconductores, segn su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

1. Intrnsecos

2. Extrnsecos

Se dice que un semiconductor es intrnseco cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni tomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida ser igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conduccin.Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrnseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atraccin que ejerce el ncleo del tomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conduccin y all funcionan como electrones de conduccin, pudindose desplazar libremente de un tomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente elctrica.

Como se puede observar en la ilustracin, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho ms estrecho en comparacin con los materiales aislantes. La energa de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conduccin es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energa de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrnseco, compuesta solamente por tomos de silicio (Si) que forman una celosa. Como se puede observar en la ilustracin, los tomos de silicio (que slo poseen cuatro electrones en la ltima rbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear as un cuerpo slido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportar igual que si fuera un cuerpo aislante.

SEMICONDUCTORES "EXTRNSECOS"

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteracin, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente elctrica por su cuerpo en una sola direccin. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los tomos de silicio o de germanio con pequeas cantidades de tomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los tomos de las impurezas corresponden tambin a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su ltima rbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones tambin en su ltima rbita [como el antimonio (Sb) o el arsnico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores extrnsecos y sern capaces de conducir la corriente elctrica.

En la actualidad el elemento ms utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrnica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales ms abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustracin de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricacin de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minsculos dados o chips, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que despus de pasar por un proceso tecnolgico apropiado se convertirn en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados sern desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cpsula protectora con sus correspondientes conectores externos.El segundo elemento tambin utilizado como semiconductor, pero en menor proporcin que el silicio, es el cristal de germanio (Ge). Durante mucho tiempo se emple tambin el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en da, adems del silicio y el germanio, se emplean tambin combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Peridica.

Placa individual de 2 x 2 cm de rea, correspondiente a un antiguo diodo de selenioEntre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsnico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricacin de diodos lser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrnsecos, los electrones de su ltima rbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los tomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su ltima rbita, tratan siempre de completarla con un mximo de ocho, ya sea donndolos o aceptndolos, segn el nmero de valencia que le corresponda a cada tomo en especfico.Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen slo cuatro electrones en su ltima rbita, sus tomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre s los cuatro electrones que cada uno posee, segn la tendencia de completar ocho en su rbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo slido, los tomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosa. En su estado puro, como ya se mencion anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

CONVERSIN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P"Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente elctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas".Para realizar ese cambio ser necesario introducir tomos de otros elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en su banda de valencia o ltima rbita (tomos trivalentes) o tambin cinco electrones en esa propia rbita (tomos pentavalentes). A tales efectos se consideran impurezas los siguientes elementos con tomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). Tambin se consideran impurezas los tomos pentavalentes de arsnico (As), fsforo (P) o de antimonio (Sb).Cuando aadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequea cantidad de tomos de un elemento pentavalente en funcin de impurezas, estos tomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los tomos que se aaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces "aceptantes, porque cada uno tendr que captar o aceptar un electrn procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del germanio. La conductividad que presente finalmente un semiconductor dopado depender de la cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una proporcin de un tomo de impureza que se aade por cada 100 millones de tomos del elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"Como ya conocemos, ni los tomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su ltima rbita; por tanto, no permiten la circulacin de la corriente elctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos aadindole una pequea cantidad de impurezas provenientes de tomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos semiconductores del Grupo Va de la Tabla Peridica, con cinco electrones en su ltima rbita o banda de valencia), estos tomos se integrarn a la estructura del silicio y compartirn cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los tomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrn restante del antimonio, al quedar liberado, se podr mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrnseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.

Estructura cristalina compuesta por tomos de silicio (Si) formando una celosa. Como se puede observar, esta estructura se ha dopado aadiendo tomos de antimonio (Sb) para crear un material semiconductor extrnseco. Los tomos de silicio (con cuatro electrones en la ltima rbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes con los tomos de antimonio (con cinco en su ltima rbita banda de valencia). En esa unin quedar un electrn libre dentro de la estructura cristalina del silicio por cada tomo de antimonio que se haya aadido. De esa forma el cristal. de silicio se convierte en material semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso electrones libres con cargas negativas presentes en esa estructura.

Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente elctrica en sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas contenidos en la sustancia impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer un flujo de corriente electrnica a travs de la estructura cristalina del semiconductor si le aplicamos una diferencia de potencia o corriente elctrica.No obstante, la posibilidad de que al aplicrseles una corriente elctrica los electrones se puedan mover libremente a travs de la estructura atmica de un elemento semiconductor es mucho ms limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo metlico buen conductor.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P"

Si en lugar de introducir tomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo dopamos aadindoles tomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento perteneciente al Grupo IIIa de la Tabla Peridica con tres electrones en su ltima rbita o banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los tomos de silicio quedar un hueco o agujero, debido a que faltar un electrn en cada uno de sus tomos para completar los ocho en su ltima rbita. En este caso, el tomo de galio tendr que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarn los tomos de silicio, como una forma de compensar las cargas elctricas. De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrnseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.

Estructura cristalina compuesta por tomos de silicio (Si). que forman, como en el caso anterior, una celosa, dopada. ahora con tomos de galio (Ga) para formar un. semiconductor extrnseco. Como se puede observar en. la. ilustracin, los tomos de silicio (con cuatro electrones en. la. ltima rbita o banda de valencia) se unen formando. enlaces covalente con los tomos de galio (con tres. electrones en su banda de valencia). En esas condiciones. quedar un hueco con defecto de electrones en la. estructura. cristalina de silicio, convirtindolo en un. semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de. electrones en la estructura.