CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POR SU CONDUCTIVIDAD. Mg. Ing. Ana María Echenique

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1 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POR SU CONDUCTIVIDAD Mg. Ing. Ana María Echenique

2 CONCEPTO DE ELECTRÓNICA Laelectrónica,esunaramadelafísicaquetieneuncampodeaplicaciónmuy amplio Es el campo de la Bioingeniería, donde se estudia el diseño y la aplicación de los dispositivos biomédicos, la electrónica tiene su aplicación considerando que el funcionamiento de estos depende del flujo de electrones en los dispositivos electrónicos. Ya sea para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento y control de la información. Esta información puede consistir en datos, voz, sonido, imágenes, señales, variables de procesos biológicos, entre otros. Por este motivo es de interés para comprender el funcionamiento de los dispositivos electrónicos, conocer los materiales con los que se fabrican los dispositivos electrónicos Telecomunicaciones ELECTRON Computación Equipamiento Médico

3 OBJETIVOS: Reconocer los diferentes tipos de materiales, según su estructura atómica Describir la estructura del cristal de Si Conocer los tipos de materiales semiconductores Describir los tipos de portadores de carga y clases de impurezas

4 CLASIFICACIÓN Todos 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: Conductores Aislantes Semiconductores

5 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).

6 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES

7 APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

8 APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

9 APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES

10 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.

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12 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).

13 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 silicio es 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

14 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

15 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 = Ohm/cm Cobre Germanio mica ρ = Ohm/cm Silicio

16 ESTRUCTURA ATÓMICA DEL GE Y SI El Ge, posee 32 electrones, mientras que el Si posee 14. Ambos tiene 4 electrones de valencia

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18 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.

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20 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, Joule Eg Eg 10 ev Eg = 1.1 ev (Si) Eg = 0.67 ev (Ge) Eg = 1.41 ev (ArGa) Eg = 0

21 A 0ºK (273ºC), tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción. A 300ºK (25ºC), algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel. Al aumentar la temperatura aumenta la conducción en los semiconductores (al contrario que en los metales). Mientras que los conductores tienen electrones libres a 0ºK.

22 ESTRUCTURA CRISTALINA Cuando el Ge o SI solidifican lo hacen en forma de una red cristalina tipo diamante. Representación tridimensional Representación plana

23 Veamos cómo se estructura un cristal de Silicio... Un átomo de Si al centro de la celda base... Y 4 átomos iguales alrededor de éste ligados a él compartiendo electrones entre sí. Enlaces covalentes 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.

24 CLASIFICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES Semiconductores Intrínsecos Semiconductores Extrínsecos Material Tipo N Material Tipo P

25 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

26 Hay 1 enlace roto por cada 1, átomos. Un electrón libre y una carga por cada enlace roto. Situación del Ge a 300ºK Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge

27 Situación del Ge a 300º K Muy importante Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Generación Generación Recombinación 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

28 Situación del Ge a 300ºK Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Sentido de desplazamiento del hueco Sentido de desplazamiento del electrón El electrón libre, con carga negativa, se mueve. Y la carga también se desplaza y de manera contraria a los electrones

29 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.

30 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. Muy importante

31 huecos electrones Existe corriente eléctrica debida a los dos portadores de carga: P= p g es la densidad de corriente de huecos. N= n g es la densidad de corriente de electrones. Movimiento de cargas por un campo eléctrico exterior Ε

32 Semiconductores Intrínsecos 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 = portadores/cm 3 Si: N = portadores/cm 3 (a temperatura ambiente) Pueden modificarse estos valores? Puede desequilibrarse el número de electrones y de huecos? La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos

33 Semiconductores Extrínsecos (Tipo N) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V (Ej: Antimonio (Sb) Arsénico (As), Fósforo (P)) Tiene 5 electrones en la última capa Si Si Si Si Si Si Si 2 As ºK A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de As

34 Semiconductores Extrínsecos (Tipo N) Si Si Si Si Si Si Si 2 As ºK 5 0ºK 4 A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de As están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El As es un donador yenelsihaymáselectronesquehuecos.esun semiconductor tipo N. 5

35 N= ng n Siendo ng=pg y n>>ng luego N>>P P= pg Semiconductores Extrínsecos (Tipo N) Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo N Energía. 1 electr./atm. 0 electr./atm. 300ºK E As =0,039eV 4electr./atm. 0ºK E g =0,67eV El As genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se consigue a la temperatura ambiente, y es la energía de ionización del átomo de As. De esta manera cede un portador de carga negativa (electrón)

36 Semiconductores Extrínsecos (Tipo P) Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III (Boro (B), Indio (In), Tiene 3 electrones en la última capa Galio (Ga)) Si Si Si Si Si Si Si 2 In 3 1 0ºK A 0ºK, habría una falta de electrón adicional ligado al átomo de In

37 Semiconductores Extrínsecos (Tipo P) Si Si Si Si Si Si Si 2 In (extra) A 300ºK, todas las faltas de electrón de los átomos de In están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Si, en el que se genera un hueco. El ln es un aceptador y en el Si hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P. 300ºK 0ºK

38 Semiconductores Extrínsecos (Tipo P) Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P 300ºK 0ºK Energía E In =0,067eV 3 electr./atom. 4electr./atom. 0 huecos/atom. E g =0,67eV El In genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia. Esta energía 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>>N P= pg p

39 Resumen Semiconductores intrínsecos: Igual número de huecos y de electrones Semiconductores 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. Muy importante

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