Física electrónica
Física electrónica
A través de esta disciplina nos adentramos en el mundo atómico para entender por qué funcionan los materiales como lo hacen. Es un modelo que nos permite predecir lo que ocurre a partir de la estructura electrónica de los átomos y su interacción.
Distribución por orbitales
1. Regla: Las órbitas de los electrones se distribuyen en capas (o niveles). Cada capa admite un número máximo de electrones dado por la ley:
número máximo de electrones en una capa = 2 · n², donde n es el número cuántico principal (n = 1, 2, 3,…).
Una capa está completa cuando contiene todos los electrones permitidos por esta ley.
2. Regla: El número máximo de electrones en la última capa (capa de valencia) suele ser 8 para los elementos representativos (regla del octeto), salvo excepciones en elementos con estructuras distintas.
3. Regla: Para elementos de estructuras más internas, la capa anterior puede estar completa con hasta 18 electrones (considerando subcapas s, p y d).
Los elementos con 8 electrones en su capa externa son químicamente inertes y presentan baja reactividad (gases nobles).
Interacción entre átomos
Si interactúan dos átomos distintos, la estabilidad se alcanza cuando las configuraciones resultantes tienden a completar las capas externas, frecuentemente siguiendo la regla del octeto.
Enlaces interatómicos
Enlace molecular: Unión entre átomos que forman moléculas; los átomos alcanzan configuraciones estables completando sus capas electrónicas.
Enlace covalente: Ocurre cuando dos o más átomos comparten sus electrones de valencia. Los electrones de valencia son compartidos por más de un átomo, formando pares enlazantes.
Enlace iónico: Ocurre en compuestos iónicos. Hay una transferencia completa de un electrón (o más) de un átomo a otro. Estos enlaces suelen ser fuertes y difíciles de separar.
Enlace metálico: Ocurre en metales; a temperatura ambiente, algunos electrones de valencia se delocalizan y forman un mar de electrones móviles alrededor de iones positivos. En ausencia de un campo eléctrico los iones positivos permanecen fijos en la red; al aplicar un campo, los electrones se desplazan y conducen corriente.
Estructura cristalina
En presencia de un campo eléctrico, los electrones están sometidos a una fuerza que aumenta su velocidad.
Velocidad de deriva: V = u · E u = movilidad de los electrones E = intensidad del campo eléctrico
Conductividad: característica del material que depende de la temperatura y de la densidad y movilidad de las cargas libres.
Semiconductores
Semiconductores
Sólidos que no son ni aislantes perfectos ni conductores metálicos. En particular, los semiconductores elementales más estudiados son el silicio (Si) y el germanio (Ge). La unión entre átomos es predominantemente covalente.
Reglas prácticas:
- 1 electrón en la última capa: conductor (caso idealizado).
- 8 electrones en la última capa: aislante (configuración cerrada).
- 4 electrones en la última capa: semiconductor (ej.: Si, Ge).
Ejemplos: Si: Z = 14, Ge: Z = 32. (Z = número atómico)
Semiconductores intrínsecos (puros)
Principio de Pauli
En una banda de energía, un mismo nivel puede ser ocupado como máximo por 2 electrones con espines antiparalelos.
Teoría de bandas
Desplazamiento de cargas
Si la banda está llena: Un electrón que reciba energía eléctrica, térmica o luminosa puede excitarse desde la banda de valencia hacia la banda de conducción, convirtiéndose en electrón libre.
Si la banda de valencia NO está completa: Un electrón puede cambiar de nivel de energía dentro de la misma banda de valencia sin pasar a la banda de conducción; la conducción puede producirse por los huecos (ausencias de electrones) en la banda de valencia.
La conducción en la banda de valencia aparece cuando la red cristalina presenta 3 o 5 electrones por átomo en la capa de valencia (elementos aceptores o donadores introducen esta condición).
Semiconductores extrínsecos (impuros)
Tipos de impurezas
Pentavalentes (donadores) — elementos del grupo 15 de la tabla periódica (ej.: As, P, Sb). Al introducir un átomo pentavalente en una red de Si, por cada átomo aproximadamente aparecen electrones libres y iones positivos fijos. Estas impurezas donan electrones y generan un semiconductor tipo N.
Trivalentes (aceptores) — elementos del grupo 13 (ej.: Al, In, Ga). Al introducir un átomo trivalente en Si, se crean huecos (ausencias de electrones) que actúan como cargas positivas; estas impurezas son aceptoras y generan un semiconductor tipo P.
Cargas mayoritarias y minoritarias
Además de las cargas mayoritarias aportadas por las impurezas:
- Pentavalentes: aportan electrones — cargas negativas (mayoritarias en N).
- Trivalentes: generan huecos — cargas positivas (mayoritarias en P).
También existen cargas generadas por la ruptura de enlaces covalentes que generan pares electrón–hueco.
Semiconductor tipo N: los electrones son las cargas mayoritarias.
Semiconductor tipo P: los huecos son las cargas mayoritarias.
Nivel de Fermi
Nivel de Fermi
Nivel de energía que representa la probabilidad estadística del 50% de encontrar un determinado nivel energético ocupado por un electrón a una temperatura dada.
En un:
- Semiconductor extrínseco tipo N: el nivel de Fermi se desplaza hacia la banda de conducción, aumentando la probabilidad de que un electrón ocupe estados en la banda de conducción.
- Semiconductor intrínseco o tipo P: en comparación, es menos probable encontrar electrones libres en la banda de conducción.
Diodos
Diodos
Unión cristalina PN
En la región P hay una gran concentración de huecos (cargas mayoritarias positivas, en número igual a los iones negativos ligados) y en la región N una gran concentración de electrones (cargas mayoritarias negativas, en número igual a los iones positivos ligados).
Al unirse un semiconductor P y uno N ocurre el fenómeno de difusión: la tendencia del sistema es igualar las concentraciones, por lo que los portadores cruzan la unión y se forma una región de agotamiento donde quedan iones fijos. Esto genera una barrera de potencial (tensión umbral) en la juntura.
Cuando se rompen enlaces covalentes se generan cargas minoritarias, por lo que en la unión PN habrá dos corrientes superpuestas:
- Corriente mayoritaria: función de la concentración de las cargas libres y del potencial de la barrera.
- Corriente minoritaria: función principalmente del aporte energético o de la temperatura (portadores minoritarios que cruzan la unión).
Estos principios son la base del funcionamiento de diodos y de muchos dispositivos semiconductores.