CONDUCTORES
Un conductor eléctrico es
aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado
de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie.
Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones
libres que permiten el movimiento de cargas.
Materiales cuya resistencia al paso de
la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son los metales
y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las Disolución y
soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en Plasma
(estado de la materia)|estado de plasma. Para el transporte de la energía
eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial,
el mejor conductor es el oro pero es muy caro, así que el metal empleado
universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos.
Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una
conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un
material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión
de energía eléctrica en la Alta tensión eléctrica redes de alta tensión]
La conductividad
eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica
Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta
magnitud, estableciendo el International Annealed Copper
Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta
definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 ºC es
igual a 58.0 MS/m.1 A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la
conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje
de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a
100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres
especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.2
Se denomina aislante
eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica.
Aunque no existen
cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores
conductores, son materiales muy utilizados para evitar
cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos, para
mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos
que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión,
pueden producir una descarga, para confeccionar
aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica
para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico).
Los materiales
utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.
El comportamiento de
los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece
entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de
electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del
material .
Un material
aislante de la electricidad tiene una resistencia teóricamente infinita.
Algunos materiales,
como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para
otras.
El aire, por
ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la
señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
Un semiconductor es
una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo
de la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².
El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².
Semiconductores
intrínsecos
Es un cristal de silicio que forma una
estructura tetraédrica similar a la
del carbono mediante enlaces
covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano
por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura
ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a
la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en
la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura
ambiente son de 1,12 y 0,67 eV para el silicio y
el germanio respectivamente.
Obviamente el
proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde
el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco
en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación.
Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares
e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de
electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración
de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de
huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni =
n = p
siendo ni la concentración
intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se
somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes
eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la
banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones
en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos
próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección
contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de
la banda de conducción.
Semiconductores
extrínsecos
Si a un
semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje
de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina
sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.
Semiconductor tipo n
Un Semiconductor
tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número
de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).Cuando
el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es
también conocido como material donante ya que da algunos de sus
electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir
abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo
se produce el dopaje tipo n considérese el caso
del silicio(Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de
cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los
átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia,
tales como los del grupo VA de la tabla periódica
(ej. fósforo (P), arsénico (As)
o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un
electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de
"electrones libres", el número de electrones en el material supera
ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores
mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de
que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que
"dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre
en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el
material dopado tipo N generalmente tiene una carga
eléctrica neta final de cero....
Semiconductor tipo p
Un Semiconductor
tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un
cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de
portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando el material
dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los
átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material
aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son
conocidos como huecos.
El propósito
del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso
del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo IVA de
la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus
cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está
asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor
se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando
cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la
posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por
un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga
positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos
superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos
son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son
los portadores minoritarios en los materiales tipo P.
Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas
de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce
de manera natural.
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