Conductores, semiconductores y aislantes

Luis Felipe Muñoz MendozaTema 27 2011-B

Teoría de bandas

• Esta teoría explica el comportamiento de los materiales al paso de la corriente desde una perspectiva más científica.– Se define Banda de Valencia (BV) al conjunto de energía

que poseen los electrones de valencia.– Se define Banda de Conducción (BC) al conjunto de

energía que poseen los electrones para desligarse de sus átomos. Los electrones que estén en esta banda pueden circular por el material si existe una tensión eléctrica que los empuje entre dos puntos.

En base a estos dos conceptos se tienen tres casos:Conductores, aislantes y semiconductores.

CONDUCTORES Son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Al aplicar un campo eléctrico o aumentar la temperatura del conductor los electrones adquieren la suficiente energía para pasar a la banda de conducción.

Teoría de bandas• Conductor: En este caso

la Energía de la banda de valencia es mayor que la de los electrones de la banda de conducción. Así pues, las bandas se superponen y muchos electrones de valencia se sitúan sobre la de conducción con suma facilidad y, por lo tanto con opción de circular por el medio.

Existen varios tipos de conductores, entre los que destacan los metales principalmente en estado solido (a temperatura normal).

Líquidos.- mercurio, mezclas de agua con sales y conductores electrolíticos.

Gaseosos.-Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados).

• Los mejores conductores de la corriente eléctrica son los metales porque ceden más fácil que otros materiales los electrones que giran en la última órbita de sus átomos (la más alejada del núcleo). Sin embargo, no todos los metales son buenos conductores, pues existen otros que, por el contrario, ofrecen gran resistencia al paso de la corriente y por ello se emplean como resistencia eléctrica para producir calor. Un ejemplo de un metal que se comporta de esa forma es el alambre nicromo (NiCr).

¿Qué son los metales?

• Grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido; opacidad, excepto en capas muy finas; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.

Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio y ástato— tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas.

AISLANTES

estos materiales no conducen la corriente eléctrica, sus átomos ni ceden, ni captan electrones, o bien, los electrones no se desprenden fácilmente Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total o muy alta resistencia al paso de la corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe.

Teoría de bandas• Aislante: En este caso la

energía de la banda de conducción es mucho mayor que la energía de la banda de valencia. En este caso, existe una brecha entre la banda de valencia y la de conducción de modo que, los electrones de valencia no pueden acceder a la banda de conducción que estará vacía. Es por ello que el aislante no conduce. Sólo a temperaturas muy altas, estos materiales son conductores.

Aislantes sólidos• En los sistemas de aislación de transformadores

destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.

• Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislación rígidas.

Aislador empleado para soportar los cables de aluminio que, colgados de las torres de alta tensión, transmiten la energía eléctrica hasta los lugares que la requieren.

En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico.

Aislantes líquidos.- El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable. El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70‘s fue el Askarel o PCB(policloruro de bifenilo), que dejo de usarse por ser muy contaminante.

Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly−alfa−olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación

• Aislantes gaseosos:• Los gases aislantes más utilizados en los transformadores

son el aire y el nitrógeno. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.

• El SF6 (hexafluoruro de azufre) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no toxico, química y fisiológicamente inerte, no corrosivo no inflamable y no contaminante. Por sus características dieléctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muy elevada, tanto a la frecuencia industrial como a impulso, gracias a su peculiar característica de gas.

• La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el mylar se emplea en condensadores eléctricos. También hay que seleccionar los aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas, entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden exigir otros materiales.

El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad.

Es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. Depende del campo eléctrico donde se encuentre. Es un material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. En los semiconductores se producen tanto corrientes producidas por el movimiento de electrones, como de las cargas positivas (huecos).

Los semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida (dopaje).

semiconductores

Teoría de bandasSemiconductores: En este caso, la banda de conducción sigue siendo mayor que la banda de valencia, pero la brecha entre ambas es mucho más pequeña, de modo que, con un incremento pequeño de energía, lo electrones de valencia saltan a la banda de conducción y puede circula por el medio. Cuando un electrón salta desde la banda de valencia a la de conducción deja un hueco en la banda de valencia que, aunque parezca extraño, también se considera portador de corriente eléctrica.

Materiales semiconductores

• Los materiales semiconductores más conocidos son: Silicio (Si) y Germanio (Ge), los cuales poseen cuatro electrones de valencia en su último nivel.

A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica.

En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente.

Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura.

Intrínsecos (puros):

– Germanio (Ge): Es el primer elemento en utilizar en la industria, muy sensible a los cambios de temperatura (existen circuitos que trabajan a muy alta frecuencia)

– Silicio (Si): Es el segundo empleado en la industria, barato, menos sensible a la temperatura pero no tan rápido, es decir, aguanta más rango de temperatura.

– Arseniuro de Galio (AsGa): Este compuesto es más moderno, es costoso, resiste mayor margen de temperatura de trabajo y sumamente rápido.

Preguntas.

• ¿Cuál es la diferencia existente entre conductor, semiconductor y aislante?

a grandes rasgos, los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia por lo que su nivel de conductividad es alto, el semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de valencia y el aislante es el que posee mas de 4 electrones en la capa de valencia por lo que su resistencia es grande.

• ¿Con base a la teoría de las bandas que es un semiconductor?

• Es cuando en un material, la banda de conducción sigue siendo mayor que la banda de valencia, pero la brecha entre ambas es mucho más pequeña, de modo que, con un incremento pequeño de energía, lo electrones de valencia saltan a la banda de conducción y puede circula por el medio.

-Mencione al menos dos propiedades que hacen a los semiconductores material de elección para la fabricación de dispositivos electrónicos.

• Estructura de bandas• Conductividad controlable• Aislamiento de regiones• Estructuras de pequeñas dimensiones para alta

velocidad y densidad