Materiales electrnicosLos materiales electrnicos han tenido un
papel determinante en el desarrollo de todas las tecnologas basadas
en la computacin y en la informacin. Los circuitos semiconductores,
integrados en chips de silicio o arseniuro de galio, desempean un
papel muy importante en muchos de nuestros modernos dispositivos
como los aislantes electrnicos, los telfonos celulares y VCR. Ley
de Ohm y conductividad elctricaLa magnitud de resistencia depende
de las dimensiones del resistor, as como de la microestructura y de
la composicin del material. La resistividad o conductividad no
depende de las dimensiones del material; por tanto, la resistividad
o la conductividad nos permiten comparar materiales diferentes. La
resistividad es una propiedad sensible a la microestructura similar
a la resistencia a la cedencia.En los materiales cermicos, cuando
ocurre la conduccin, puede ser resultado de electrones que saltan
de un defecto a otro o debido al movimiento de los iones. La
movilidad depende de los enlaces atmicos, de las imperfecciones, de
la microestructura y en el caso de compuestos inicos de las
velocidades de difusin. Los materiales electrnicos se pueden
clasificar como superconductores, conductores normales,
semiconductores y materiales dielctricos, dependiendo de la
magnitud de su conductividad elctrica. Los materiales con una
conductividad inferior a 10-12 ohms-1cm-1 o una resistividad
superior a 1012 se consideran como aislantes. Utilizamos el termino
dielctrico para aquellos materiales utilizados en aplicaciones
donde la constante dielctrica es de gran importancia. La constante
dielctrica (k) es una propiedad sensible a la microestructura
relacionada con la capacidad de dicho material para almacenar carga
elctrica. Entonces el trmino aislante se usa para describir la
capacidad de un material para detener el flujo de corriente directa
o alterna. Estructura de las bandas en los solidosEl principio de
exclusin de Pauli solo permite que cada nivel de energa contenga
dos electrones. Por ejemplo, el nivel 2s de un tomo individual
contiene un nivel de energa y dos electrones. El nivel 2p contiene
tres niveles de energa con un total de seis electrones. Cuando se
renen N tomos para producir un slido, el principio de Pauli sigue
exigiendo que solamente dos electrones en todo el slido tengan la
misma energa.-Estructuras de bandas del solidoLas energas dentro de
las bandas dependen del espaciamiento entre tomos; la lnea vertical
representa el espaciamiento interatmico de equilibrio de los tomos
en el solido. Los niveles de energa 3s son la banda de valencia.
Los niveles de energa 3p, que estn separados de la banda 3s por una
brecha de energa forman la banda de conduccin. La energa de fermi
es aquella a la cual la mitad de los niveles posibles de energa de
la banda estn ocupados por electrones. Pero cuando se incrementa la
temperatura del metal algunos electrones adquieren energa y se
excitan, pasando a los niveles de energa vacos existentes en la
banda de valencia. Esta situacin crea un nmero igual de niveles de
energa vacos llamados huevos que fueron desalojados por los
electrones excitados. Tanto los electrones excitados como los
huevos recin creados pueden transportar carga elctrica.
-Estructura de las bandas en el Mg y otros El Mg y otros metales
de la tabla peridica tienen dos electrones en su banda s mas
externa. Estos metales tienen una elevada conductividad debido a
que la banda p se superpone sobre la banda s en el espaciamiento
interatomico de equilibrio. Esta superposicin permite que los
electrones se exciten hacia el gran numero de niveles de energa no
ocupados de las bandas combinadas 3s y 3p. La superposicin de las
bandas 3s y 3p en el aluminio y en otros metales de la columna IIIB
tienen un efecto similar.-Estructura de las bandas
semiconductorasLos elementos del grupo 4 contienen dos electrones
en su capa externa p, con una valencia de cuatro. Con base en
nuestro anlisis de la seccin anterior, se separara que estos
elementos tuvieran una elevada conductividad debido a la presencia
de la banda p sin llenar. Una distincin importante entre metales y
semiconductores es el hecho de que la conductividad de los
semiconductores aumenta al aumentar la temperatura, ya que ms y ms
electrones pueden alcanzar la banda de conduccin desde la banda de
valencia. Por otra parte la conductividad de la mayora de los
metales, disminuye al aumentar la temperatura.Conductividad de los
metales y aleacionesLa conductividad de un metal puro y libre de
defectos est determinada por la estructura electrnica de los tomos.
Pero podemos modificar la conductividad al cambiar la movilidad de
los portadores. La movilidad es proporcional a la velocidad de
deriva promedio la cual es baja si los electrones chocan contra
imperfecciones en la red cristalina.Efecto de la temperatura,
cuando se incrementa la temperatura de un metal, la energa trmica
hace que los atomos vibren. En cualquier instante, el atomo puede
no estar en su posicin de equilibrio y por ello interactuara y
dispersara los electrones. Se reducirn la trayertoria media libre y
la movilidad de los electrones y aunmentrara la
resistividad.-Efecto del procesamiento y endurecimientoLos
mecanismos de endurecimiento y las tcnicas de proceso de los
metales afectan de distintas maneras las propiedades elctricas de
un metal. El endurecimiento por solucin solida no es una buena
manera de obtener una alta resistencia en metales que se desea
tengan elevadas conductividades. El endurecimiento por
envejecimiento y por dispersin reducen menos la conductividad que
el endurecimiento por solucin solida ya que entre los precipitados
existe una trayectoria libre promedio ms larga.-Conductividad de
las aleacionesLas aleaciones tienen resisitividades mas elevadas
que los metales puros, debido a la dispersin de los electrones en
las aleaciones agregadas.SuperconductividadUn superconductor es un
material que tiene una resistencia elctrica igual a acero bajo
ciertas condiciones y rechaza completamente un campo magntico. Esto
se le conoce como efecto Meissner. El origen de la
superconductividad esta relacionado on el acoplamiento
electron-foton y la formacin resultante de pareas de electrones de
conduccin, segn la teora BCS. Esta teora explica las propiedades de
la superconductividad en superconductores metlicos.
La superconductividad en los materiales desaparece por encima de
una cierta temperatura conocida como la temperatura crtica. La
superconductividad tambin desaparece cuando est presente un cierto
nivel de campo magntico.-Superconductores tipo 1La
superconductividad es estable hasta un cierto campo magntico Hc.
Por lo que para que exista la superconductividad, la temperatura
debe de estar por debajo de Tc y el campo magntico debe ser
inferior a un cierto valor. Para que un material sea superconductor
el campo magntico debe ser excluido del conductor. Esto explica la
capacidad que tienen estos de levitar por encima de un iman.
Incluidos el tungsteno y el estao el incremento del campo magntico
reduce la temperatura para la superconduccin.-Superconductores tipo
2Cuando se les aplica un campo magntico inferior al crtico, este
flujo magntico puede penetrar en el superconductor. Entonces si el
campo magntico aplicado se incrementa a un valor superior, conocido
como campo magntico critico superior, la superconductividad
desaparece.Definimos los superconductores como materiales que bajo
ciertas condiciones muestran una resistencia elctrica igual a cero.
Esto sugerira que debera fluir una cantidad ilimitada de corriente
a travs de un alambre superconductor, ya que no hay un
calentamiento resistivo en el alambre.Bajo ciertas condiciones, los
superconductores ofrecen una resistencia elctrica igual a cero, lo
que significa que podemos pensar en superconductores para
aplicaciones elctricas (motores, cables para la transmisin de la
energa). Tambin se han construido circuitos electrnicos y en la
imaginologia de resonancia magntica se utilizan poderosos
electroimanes superconductores.Conductividad de otros materialesLa
conduccin en los materiales inicos ocurre frecuentemente mediante
el movimiento de iones completos, dado que la brecha de energa es
demasiado grande para que los electrones entren en la banda de
conduccin. Por lo tanto la mayora de los materiales inicos se
comportan como aislantes. En estos materiales las impurezas y las
vacancias aumentan la conductividad; las vacancias son necesarias
para la difusin en los tipos sustituciones de las estructuras
cristalinas; las impurezas tambin pueden difundirse y ayudar a
transportar la corriente.-Conduccin en polmerosLos polimeros tienen
una estructura de bandas con una gran brecha de energa, ya que sus
electrones de valencia estn ocupados en enlaces covalentes, lo cual
causa una baja conductividad elctrica. Los polimeros se utilizan
con frecuencia en aplicaciones que requieren de aislamiento
elctrico para evitar cortocircuitos, arcos elctricos y riesgos de
seguridad. En algunos casos sin embargo esta baja conductividad es
un obstculo.La resistividad puede reducirse agregando compuestos
inicos al polmero, ya que los iones emigran a la superficie del
polmero y atraen la humedad, la cual a su vez disipa las cargas
estticas. Los materiales compuestos de matriz polimrica que
contienen fibras de carbono o fibras recubiertas de nquel combinan
una alta rigidez con una mejor conductividad. Algunos polmeros
tienen buena conductividad inherente como resultado de tcnicas de
procesamiento o de dopado. Gracias al entrecruzamiento, los
electrones pueden moverse con mayor facilidad de una cadena a
otra.SemiconductoresUn semiconductor intrnseco es aquel cuyas
propiedades no estn controladas por las impurezas o los dopantes.
Un semiconductor extrnseco (tipo p o n) es el preferido para los
dispositivos, ya que sus propiedades son estables en funcin de la
temperatura y se pueden controlar utilizando implantacin de iones o
difusin de dopantes. Los semiconductores compuestos se forman a
partir de elementos de los grupos 2B y 6B de la tabla peridica y se
les conocen como semiconductores dos-seis. Tambin se pueden formar
combinando elementos de los grupos 3B y 5B de la tabla peridica y
se les conocen como semiconductores tres-cinco. Tienen una
conductividad elctrica fcilmente controlada y cuando estn
adecuadamente combinados, pueden funcionar como interruptores,
amplificadores o dispositivos de almacenamiento de datos. En los
semiconductores intrnsecos, controlamos la cantidad de portadores
de carga y como consecuencia la conductividad elctrica al controlar
la temperatura. A una temperatura de cero absoluto todos los
electrones estn en la banda de valencia, en tanto que todos los
niveles en la banda de conduccin estn desocupados. Conforme aumenta
la temperatura, existe una mayor probabilidad de que se ocupe un
nivel de energa en la banda de conduccin. Conforme aumenta la
temperatura, la conductividad de un semiconductor tambin aumenta
porque existen mas portadores de carga presentes, en tanto que la
conductividad de un metal se reduce debido a la menor movilidad de
los portadores de carga.-Semiconductores extrnsecos La dependencia
en la temperatura de la conductividad en los semiconductores
intrnsecos es casi exponencial, pero esto no resulta til para
aplicaciones prcticas. La conductividad de un semiconductor
extrnseco depende principalmente del nmero de tomos de impurezas,
es decir, de dopantes y, dentro de un cierto rango de temperaturas,
dicha conductividad es independiente de la temperatura. Esta
capacidad para tener una conductividad ajustable y al mismo tiempo
independiente de la temperatura es la razn por la cual casi siempre
usamos semiconductores extrnsecos para la fabricacin de
dispositivos.-Tipo nSuponga que agregamos al silicio o al germanio
un atomo de impureza como antimonio, que tiene una valencia igual a
cinco. Cuatro de los electrones del atomo de antimonio participan
en el proceso de enlaces covalentes, en tanto que el electron
adicional se conolca en un nivel de energa en estado donador justo
por debajo de la banda de conduccin.-Tipo pCuando al silicio o al
germanio le agregamos una impureza como el boro o galio con una
valencia igual a tres, no existen suficientes electrones para
completar el proceso de enlaces covalentes. Se crea un hueco de
electron en la banda de valencia que puede llenarse con electrones
provenientes de otras localizaciones en la banda. Los huecos
funcionan como aceptantes de electrones.
-Semiconductor de brechaCuando el electron excitado vuelve a
pasar por la banda de valencia, se combinan los electrones y los
huecos para producir luz entonces:Electron+hueco fotonEsto se
conoce como recombinacin radiante, es por eso que se itulizan
materiales de brecha directa, como GaAs y sus soluciones solidas
para la fabricacin de diodos emisores de luz (LED) de distintos
colores. Los materiales de brecha de energa directa se conocen como
optoelectronicos y se han desarrollado muchos laser y LED usando
estos materiales. En un semiconductor de brecha de energa indirecta
(Si, Ge y GaP) la recombinacin de electrones hueco es muy eficiente
y los electrones no pueden ser promovidos a la banda de valencia
sin un cambio de momento. Lo anterior se conoce como recombinacin
no radiante:Electron+huecocalor
