CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POR SU

CONDUCTIVIDAD

Mg. Ing. Ana María Echenique

CONCEPTO DE ELECTRÓNICA

La electrónica, es una rama de la física que tiene un campo de aplicación muyamplioEs el campo de la Bioingeniería, donde se estudia el diseño y la aplicación de losdispositivos biomédicos, la electrónica tiene su aplicación considerando que elfuncionamiento de estos depende del flujo de electrones en los dispositivoselectrónicos. Ya sea para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento ycontrol de la información. Esta información puede consistir en datos, voz, sonido,imágenes, señales, variables de procesos biológicos, entre otros. Por este motivo esde interés para comprender el funcionamiento de los dispositivos electrónicos,conocer los materiales con los que se fabrican los dispositivos electrónicos

ELECTRON

Telecomunicaciones

Computación

Equipamiento Médico

OBJETIVOS:Reconocer los diferentes tipos de materiales, según su estructura atómica Describir la estructura del cristal de SiConocer los tipos de materiales semiconductoresDescribir los tipos de portadores de carga y clases de impurezas

CLASIFICACIÓNTodos los elementos que tienen propiedades físicas y químicas semejantes se encuentran agrupados en la tabla periódica. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:

ConductoresAislantesSemiconductores

MATERIALES CONDUCTORES

En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag) y el oro (Au).

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES

APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

MATERIALES AISLANTES

Aislantes ó Dieléctricos son materiales que no conducen la electricidad por lo que puede ser usado como aislante eléctrico. A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

Los "semiconductores" constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica.El Silicio (Si)y el Germanio (Ge) son elementos semiconductores utilizados para fabricar componentes electrónicos (diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores).

Un semiconductor, es un material que tiene las propiedades eléctricas de un conductor y de un aislante, como por

ejemplo el Germanio y el Silicio (metaloides), este ultimo el más utilizado en la actualidad para la fabricación de

componentes electrónicos.

Después del oxigeno, el silicioes el elemento mas abundante en la corteza terrestre en:Arena, cuarzo, granito, arcilla, mica, etc.

Silicio-Fabricación de componentes

electrónicos

-Construcción de ladrillos, vidrios y otros materiales- Silicona para implantes médicos- Fertilizante en la agricultura

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

RESISTIVIDAD PARA DIFERENTES MATERIALES

Los valores de la resistividad nos permiten clasificar los materiales como conductores, semiconductores y aislantes

Conductor semiconductor aislante

ρ = 10–6 Ohm/cm ρ = 50 Ohm/cm ρ = 1012 Ohm/cm

Cobre Germanio mica

ρ = 50000 Ohm/cm

Silicio

ESTRUCTURA ATÓMICA DEL GE Y SI

El Ge, posee 32 electrones, mientras que el Si posee 14. Ambos tiene 4 electrones de valencia

NIVELES DE ENERGÍA

En la estructura atómica aislada existen niveles discretos de

energía (individuales) asociados con cada electrón que orbita. De

hecho cada material tendrá su propio conjunto permitido de

niveles de energía para los electrones en su estructura atómica.

Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo mayor

es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado su

átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón

en la estructura atómica.

Eg = 1.1 eV (Si)

Eg = 0.67 eV (Ge)

Eg = 1.41 eV (ArGa)

Eg

Eg – energía de desdoblamiento. Es la energía necesaria para llevar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción.

1 eV Es una unidad de energía para que un electrón pase por una diferencia de 1v Equivale a 1,602176565 × 10-19 Joule

Eg ≅ 10 eV Eg = 0

A 0ºK (-273ºC), tanto los aislantes como lossemiconductores no conducen, ya que ningúnelectrón tiene energía suficiente para pasar dela banda de valencia a la de conducción.A 300ºK (25ºC), algunos electrones de lossemiconductores alcanzan este nivel.Al aumentar la temperatura aumenta laconducción en los semiconductores (alcontrario que en los metales). Mientras quelos conductores tienen electrones libres a 0ºK.

ESTRUCTURA CRISTALINA

Cuando el Ge o SI solidifican lo hacen en forma de una red cristalina tipo diamante.

Representación tridimensional Representación plana

Un átomo de Si al centro de la celda base......

Y 4 átomos iguales alrededor de éste ligados a él compartiendo electrones entre sí.

Los electrones periféricos de cada átomo de Si forman enlaces covalentes con los átomos vecinos. Permitiendo que el átomo del centro quede con 8 electrones en su última órbita.

Enlacescovalentes

Veamos cómo se estructura un cristal de Silicio.....

CLASIFICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES

Semiconductores Intrínsecos

Semiconductores ExtrínsecosMaterial Tipo NMaterial Tipo P

No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la

banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.

Semiconductor Intrínseco

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

--

--

--

- - - -

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - -

Representación plana del Germanio a 0º K

•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.

•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.

Situación del Ge a 300ºK

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+

Situación del Ge a 300º K

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+Generación

-

-

+

Recombinación

Generación

Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces.La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos.

-

++-

-

Recombinación

Generación

Muyimportante

Situación del Ge a 300ºK

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

--

--

- - - -

- - - -

- -

-Sentido de desplazamiento del electrón

Sentido de desplazamiento del hueco

•El electrón libre, con carga negativa, se mueve.

•Y la carga ”+” también se desplaza y de manera contraria a los electrones

+-

+ +

+ +

+ +

+

-------

-

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

-

+

Aplicación de un campo externo

•El electrón libre, con carga negativa, se mueve por acción del campo.

•Y la carga ”+” también se desplaza.

- - --

Ge Ge Ge Ge

Ge Ge Ge Ge

- - - - -

- - - - -

- - -

- - -

--

- --

--

- - - -

- - - -

--

+

+-

+ +

+ +

+ +

+

-------

Aplicación de un campo externo

-

+--

•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga,

llamado “hueco”.

Muyimportante

huecos electronesExiste corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga:

P= pg es la densidad de corriente de huecos.

N= ng es la densidad de corriente de electrones.

Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior

Ε + +

+ +

+

-----

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados “Semiconductores Intrínsecos”, en los que:

•No hay ninguna impureza en la red cristalina.

•Hay igual número de electrones que de huecos N = P

Ge: N = 2·1013 portadores/cm3

Si: N = 1010 portadores/cm3

(a temperatura ambiente)

¿Pueden modificarse estos valores?

¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos?

La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos

Semiconductores Intrínsecos

A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de

As

Tiene 5 electrones en la última capa

Semiconductores Extrínsecos (Tipo N) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V (Ej: Antimonio (Sb)Arsénico (As), Fósforo (P))

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Si Si Si

Si Si Si Si- - - -

As

-

--1

2

34

5 0ºK

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Si Si Si

Si Si Si Si

- - - -

As-

--1

2

34

5 0ºK

Semiconductores Extrínsecos (Tipo N)

300ºK

+

5-

A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de As estándesligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica).El As es un donador y en el Si hay más electrones que huecos. Es unsemiconductor tipo N.

-

Ener

gía

Eg=0,67eV

4 electr./atm.

.0 electr./atm.

EAs=0,039eV

---

-

0ºK

El As genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la bandade conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción seconsigue a la temperatura ambiente, y es la energía de ionización del átomo deAs. De esta manera cede un portador de carga negativa (electrón)

Semiconductores Extrínsecos (Tipo N)Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor

extrínseco Tipo N

N= ng+ n Siendo ng=pg y n>>ng luego N>>PP= pg

1 electr./atm. 300ºK

A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al

átomo de In

Tiene 3 electrones en la última capa

Semiconductores Extrínsecos (Tipo P)Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III (Boro (B), Indio (In),

Galio (Ga))

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Si Si Si

Si Si Si Si- - - -

In

-12

3

0ºK

A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de In están cubiertas con unelectrón procedente de un átomo de Si, en el que se genera un hueco. El ln es unaceptador y en el Si hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.

Semiconductores Extrínsecos (Tipo P)

- - - - -

- - - - -

- - -

- -

--

- --

--

- - - -

Si Si Si

Si Si Si Si

- - - -

In-

-12

3

0ºK300ºK

+

-4 (extra)

Ener

gía

Eg=0,67eV

3 electr./atom.0 huecos/atom.

EIn=0,067eV

-- --

0ºK

Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P

Semiconductores Extrínsecos (Tipo P)

El In genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda devalencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido seconsigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia. Estaenergía es la de ionización del átomo de In, cediendo un portador de carga positivo(hueco)

N= ng Siendo ng=pg y p>>pg luego P>>NP= pg+ p

+

4 electr./atom.

300ºK

--

Semiconductores intrínsecos:•Igual número de huecos y de electronesSemiconductores extrínsecos:Tipo N:•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)

•Impurezas del grupo V (donador)•Todos los átomos de donador ionizados “+”.

•Tipo P:•Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios)

•Impurezas del grupo III (aceptador)

•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.

Resumen

Muyimportante