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Abraham Saul Buendia Mora

Conductores semiconductors y AISLANTES de acuerdo al modelo de bandas

¡La ciencia de los materiales transforma nuestra energía en innovación!

Arnold Sommerfeld y Hans Bethe

Felix Bloch

Walter Heitler y Fritz London

Nevill Mott y John von Neumann

Antecedentes

Aplicaron el modelo cuántico al comportamiento de electrones en sólidos, desarrollando la teoría de bandas en el marco del modelo del electrón libre.

Contribuyeron al desarrollo de la teoría de enlaces, que ayuda a explicar cómo los niveles de energía atómicos se combinan para formar bandas.

Trabajaron en las propiedades electrónicas de los sólidos y explicaron cómo los niveles de energía se agrupan en bandas separadas por brechas prohibidas.

Introdujo el concepto de las funciones de Bloch, que describen cómo los electrones se comportan en un cristal periódico, sentando las bases para entender las bandas de energía.

1928

Banda prohibida:

Banda de conducción:

Banda de valencia:

Conjunto de energía que poseen los electrones para desligarse de sus átomos. Los electrones que esten en esta banda pueden circular por el material si existe una ténsión eléctrica que los empuje dentro de dos puntos.

Conjunto de energía que poseen los electrones de valencia.

Conceptos basicos

Es la diferencia energética entre el borde superior de la banda de valencia y el borde inferior de la banda de conducción (gap)

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El objetivo es hacer que dichos electrones pasen a la banda de conducción, pero para que esto ocurra se deberá aplicar energía, dicha energía excitara a los electrones para que puedan pasar a ese nivel, entre mayor sea la distancia entre las bandas mayor energía se necesitara y en algunos casos no ocurrirá el salto.

Nos ayudara a comprender la capacidad que tienen los compuestos para conducir electricidad.

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¿qué es la teoría de bandas??

Es la representación de como los electrones deslocalizados se mueven a través de bandas por medio de energía suministrada.

Definición

Conductores son todos los metales ya que por naturaleza estos elementos tienden a perder muy fácilmente electrones de su último nivel energético Dado su tipo de enlace que es metálico los átomos se agrupan de manera muy cercana entre ellos por lo que es muy fácil perder y ganar electrones de los átomos vecinos, si aplicamos energía a estos elementos muy fácilmente generaremos una corriente eléctrica.

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Conductores

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) Existen metales que ofrecen gran resistencia eléctrica para producir calor , por ejemplo de un metal que se comporta asi es el alambre nicromo (NiCr.

Son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de corriente al 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

Conductores

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Tabla periódica

La clasificación de los elementos de la tabla periódica como conductores, semiconductores o aislantes depende de su capacidad para conducir electricidad y está relacionada con la estructura de sus bandas de energía.

Clasificación

Puede variar en función de las condiciones externas, como la temperatura, la presión o la forma cristalina del material.

AISLANTES

Mayoría de los no metales (grupos 16, 17, y 18).

Semiconductores

Elementos en la región de los metaloides (cercanos a la línea de separación entre metales y no metales).

cONDUCTORES

Mayoría de los metales (grupos 1, 2, y metales de transición).

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Aislantes

En este caso la energía de la banda de condución 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 conduccion que estará vacía. Es por ello que el aislante no conduce. Sólo a temperaturas muy altas, estos materiales son conductores.

Aislantes

Están hechos de enlaces covalentes, para estos compuestos los elementos que forman estos enlaces se encuentran en equilibrio y les es difícil que, aunque los enlaces se rompan los electrones se puedan mover libremente, debido a que los materiales no están constituidos en red sino de manera lineal, ya que para el ejemplo del PVC que es un polímero los hidrógenos y el cloro no pueden formar mas enlaces por lo que el flujo de electrones queda muy limitado

Conceptos basicos

Tipos de aislantes…

Aislantes líquidos: 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.

Aislantes líquidos: Aceite mineral, el problema es que es altamente inflamable, el mas utilizado fue el Askarel o PBC(Policloruro de bifenilo)Aislante gaseoso: Los mas utilizados en transformadores son el aire y nitrógeno, debido a su elevada resistividad y estan exentos de pérdidas dieléctricas.SF6(hexafluoruro de azufre) otro gas aisalnte que es incoloro, inoloro, no toxico, inflamable y no contaminante

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

Los siguientes materiales no conducen la corriente eléctrica, sus átomos ni ceden, ni captan electrones, o bien, los electrones no se desprenden fácilmente:

• Plástico
• Mica
• Vidrio
• Goma
• Cerámica

Oponen total o muy alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.No existe un material absolutamente no conductor

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SemiConductores

En este caso, la banda de conducción sigue siendo mayor que la banda de la banda de valencia, pero la brecha entre ambas es mucho más pequeña, de modo que, con un incremento pequeño de energía, los electrones de valencia saltan a la banda de conducción y pude circular 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, tambien se considera portador de corriente eléctrica.

Semiconductores

Son compuestos que no conducen electricidad, pero cuando se les suministra la suficiente energía o se les adicionan otros elementos generaran corriente eléctrica. Generalmente a estos se les introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, depemdiemdo de la impureza introducida (dopaje). Se dividen en intrínsecos y extrínsecos.d

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.El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica

Silicio (Si) y Germanio (Ge), posen cuatro electrones de valencia en su último nivel

Son de un único tipo de átomo los mas usados son el Germanio y el Silicio al tener enlaces covalentes a temperaturas normales no conducen electricidad, pero al aumentar la temperatura los electrones se exitan por lo que algunos electrones rompen enlaces e intervienen en la conducción eléctrica

Intrínsecos

Intrínsecos (puros):

Germanio(Ge):

• Es el primer elemeto en utilizar en la industria
• Es muy sensible a cambios de temperatura

Silicio(Si):

• Segundo empleado en la industria
• Es barato
• Es menos sensible a la temperatura pero no tan rápido, es decir aguanta mas rango de temperatura

Arseniuro de galio (AsGa):

• Es moderno
• Es costoso
• Resiste mayor temperatura
• Es sumamante rapido

Tipo N (negativo):Donde se agregan ementos que al formar enlaces con la red sobra un electrón del elemento adicionado.

Tipo P (positivo): Donde se agregan elementos a la red y forman vacancias, por lo que uno de los silicios no formara el enlace por lo que ese electrón de silicio quedara deslocalizado, para ambos casos al aplicar energía al material los electrones que no formaron enlaces ayudaran a la conducción eléctrica, cuando se deje de suministrar energía la corriente eléctrica disminuirá volviendo hacer que los materiales sean aislantes

Se le agregan impurezas al material para que sus propiedades cambien se dividen en dos tipos Tipo N y tipo P

Extrínsecos

La adición de impurezas donantes contribuye a subir los niveles de energía de los electrones en la banda prohibida del semiconductores, de modo que pueden ser excitados facilmente hacia la banda de conducción. Esto desplaza el nivel de Fermi efectivo, a un punto a medio camino entre los niveles de los electrones donantes y la banda de conducción. Los electrones se dice que son los "portadores mayoritarios" del flujo de corriente en un semiconductor de tipo n.

La adición de impurezas aceptoras contribuye a bajar los niveles de los huecos en la banda prohibida de los semiconductores, de modo que los electrones pueden ser fácilmente excitados desde la banda de valencia hasta estos niveles, dejando huecos móviles en la banda de valencia. Esto desplaza el nivel de Fermi efectivo, a un punto a medio camino entre los niveles aceptores y la banda de valencia. Los huecos se dice que son los "portadores mayoritarios" para el flujo de corriente en un semiconductor de tipo p.

Tipo N

Tipo P

Donde se agregan elementos a la red y forman vacancias, por lo que uno de los silicios no formara el enlace por lo que ese electrón de silicio quedara deslocalizado, para ambos casos al aplicar energía al material los electrones que no formaron enlaces ayudaran a la conducción eléctrica, cuando se deje de suministrar energía la corriente eléctrica disminuirá volviendo hacer que los materiales sean aislantes

Aislantes: La brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción es tan grande que es casi imposible que pueda haber corriente eléctrica, aunque se les suministre mucha energía.

Conductores: La brecha entre bandas es casi 0 por lo que no costara trabajo hacer que pase corriente eléctrica

Semiconductores: Esta brecha entre las bandas se hace mas grande, por lo cual tendremos que suministrar demasiada energía para que pueda haber conducción eléctrica

Habiendo visto la naturaleza de distintos materiales, con la teoría de bandas podemos ver que tan fácil es conducir electricidad:

Conclusión

La capacidad de los materiales de conducir electricidad dependerá de cómo estén constituidos atómicamente y de la energía suministrada para que esto ocurra. La teoría de bandas nos facilita el entendimiento de que tan fácil será la conducción eléctrica en diferentes materiales

• Los metales: Son buenos conductores debido a la presencia de electrones libres que pueden moverse fácilmente entre los átomos.
• - Los semiconductores: Son fundamentales para la tecnología porque su capacidad de conducción eléctrica puede ajustarse de manera precisa, permitiendo la creación de dispositivos como transistores y microchips.
• - Los aislantes: Se utilizan para proteger los sistemas eléctricos y electrónicos, ya que su gran resistencia evita el paso de corriente, asegurando la seguridad y el funcionamiento adecuado de los equipos.

¡Recuerda evaluarme!

Tema:3.3 Conductores semiconductores y aislantes de acuerdo al modelo de bandas

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El cloruro de magnesio se utiliza en el proceso de electrólisis para producir magnesio metálico.

Es ampliamente utilizado en diversas industrias debido a su excelente conductividad eléctrica y térmica , resistencia a la corrosión y maleabilidad.

Lámparas de alta intensidad para estadios, faros y laboratorios.

Electrolitos con magnesio (MgCl₂):

Mercurio (Hg):

• Metelaes sólidos: A temperatura normal
• Metales líquidos: Mercurio, mezclas de agua con sales y electrolíticos
• Metales gaseosos: Nitrógeno, cloro, neon (Ionizados)

Cobre (Cu):

Aunque es un metal líquido, al calentarlo por encima de su punto de ebullición (~356.7 °C), se convierte en vapor metálico. Este vapor tiene aplicaciones industriales y puede ser tóxico.

Tipos de metales

El cloruro de magnesio en agua se disocia en iones de magnesio (Mg²⁺) y cloruro (Cl⁻), formando una solución que puede usarse en procesos electroquímicos.

Electrones de los últimos niveles energéticos

La facilidad con que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción determinara con que material estamos tratando tenemos los: conductores, semi y aislantes

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Puedes plasmar cifras deesta forma

50%

de nuestro cerebro está involucrado en el procesamiento de estímulos visuales.

90%

de la información visual se asimila mejor

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Nivel de fermi

Se refiere a la energía más alta que tienen los electrones en un material a temperatura absoluta de 0 K. En otras palabras, es el nivel de energía al que hay un 50% de probabilidad de que un estado esté ocupado por un electrón.El nivel de Fermi actúa como una referencia para predecir el comportamiento eléctrico, térmico y óptico de los materiales.

La elección del material aislnte suele determinarse por la aplicación:

• El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia
• El mylar se emplea en condensadores eléctricos.
• El tefol se emplea para temperaturas entre 175 y 230 ªc
• El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión
• El neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y humedad