Estructura de la Materia Materiales Conductores Materiales Semiconductores y Materiales Diel

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Estructura de la MateriaMateriales
ConductoresMateriales Semiconductoresy
Materiales Dieléctricos2015-1
Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12-
14 19-03-2015
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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
  (-).

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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.

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Estructura del Átomo (3)
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Clasificación de materiales según su conductividad
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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.

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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.

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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.

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(No Transcript)
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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.

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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.

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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.

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Estructura del silicio
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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.

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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.

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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.

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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.

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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?.

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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

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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.

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Ejemplo de Semiconductor tipo n
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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.

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Ejemplo de Semiconductor tipo p
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Conducción eléctrica en Semiconductores
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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.

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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
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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.

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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.

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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.

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Conducción por difusión de portadores

• Difusión
• 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 AB.

• 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.