Todo sobre semiconductores, conductores y aislantes

Para comprender las propiedades eléctricas de los materiales es importante conocer primero la estructura de los átomos; los materiales en términos eléctricos se dividen en 3 tipos, que seria los aislantes, conductores y semiconductores.

¿Sabes lo que es la electricidad?

Si no lo sabes, te lo explicare en términos muy sencillos, la electricidad proviene del termino electrón y del prefijo «dad» que significa estudiar, así que la electricidad se define como el estudio de los electrones. Recuerda que toda la materia esta formada por átomos, y estos en su interior tienen electrones, si esos electrones los haces circular por un material que oponga poca resistencia estarías generando entonces circulación de corriente eléctrica, es decir, electricidad. Seguramente en algún momento de tu vida te has electrocutado por accidente, esa sensación que sientes en tu cuerpo es producto de una cantidad de electrones que lograron circular por tu cuerpo, dicho esto podemos continuar.

Materiales aislantes

Los aislantes son materiales que no son buenos conductores eléctricos, su estructura atómica compacta evita la presencia de electrones libres. Los aislantes generalmente están hechos de materiales compuestos, como vidrio, hule, cuarzo, entre otros.

Materiales conductores

Un conductor es un material que permite la circulación de corriente eléctrica, la mayoría de los metales son excelentes conductores eléctricos, los mejores materiales son aquellos conformados por un solo elemento, como lo es el cobre, aluminio y el oro; los metales cuentan con una característica interesante, poseen un único electrón de valencia orbitando, lo que permite que se vuelva un electrón libre y pueda pasar a otro átomo con facilidad.

Materiales semiconductores

Un semiconductor es el intermedio entre un material conductor y un aislante, para que este tipo de material pueda conducir electricidad es necesario estimularlo previamente, al retirar este estimulación el material deja de conducir, esta es la esencia de la electrónica y es lo que permitió la creación de los transistores y de la tecnología moderna que conocemos en nuestros días, los materiales semiconductores son el silicio y el germanio.

Bandas de energía en los materiales

Recordemos que todos los átomos cuentan con un nivel de energía, en la ultima órbita de los átomos se encuentran los electrones de valencia, si estos pueden adquirir suficiente energía serán desprendidos del átomo y entraran en la barra de conducción, la energía necesaria para que un electrón sea liberado se conoce como banda prohibida, dependiendo del material será necesario más o menos energía para que los electrones del material entren en conducción, de acá podemos hacer un análisis interesante.

Diagramas de energía de los tres tipo de materiales 


!No existen materiales aislantes!

Si analizamos la grafica anterior podemos observar que es necesario aplicar mucha energía para que un aislante entre en conducción eléctrica, por lo tanto se consideran no conductores, todos sabemos que el plástico «no es conductor eléctrico» pero, imagina por un momento que a un muñeco de plástico gigante le cae un rayo del cielo, ¿Cómo el plástico no es conductor eléctrico el muñeco estará intacto? pues la respuesta es que no, el muñeco será destruido, un rayo es una descarga de cientos de miles de voltios, suficiente energía para que los electrones del plástico abandones su orbita de valencia y pasen a la banda de conducción permitiendo así que los electrones del rayo circulen por todo el material, a lo que podemos concluir que no existen materiales aislantes en su totalidad, solo existen malos conductores eléctricos.

Diferencias de un conductor con un semiconductor

Comparemos al cobre vs el silicio, el primero es conductor y el segundo es un semiconductor, las diferencias radican en su estructura atómica y en la disposición de sus electrones dentro de sus órbitas. Si excluimos los electrones de la ultima capa (órbita de valencia) el átomo de silicio cuenta con un total de 14 protones y de 10 electrones distribuidos en las órbitas restantes y en su núcleo, por lo tanto eléctricamente hablando nos queda una carga de (+4), realicemos este mismo análisis con el átomo de cobre, tendríamos 29 protones y 28 electrones, lo que nos da una carga eléctrica de (+1), esto significa que el electrón de valencia del átomo de cobre esta sometido a una fuerza de (+1) mientras que los átomos de silicio están sometidos a una fuerza de (+4), por ende se requiere de mayor energía para que los electrones de valencia del silicio entren a conducción, por su parte el átomo de valencia del cobre esta solamente sometido a (+1) carga eléctrica, por esta razón el cobre es un excelente conductor eléctrico.

Comparación de un átomo de silicio contra un átomo de carbón
Diferencias de un conductor con un semiconductor átomo de silicio y cobre

Silicio y Germanio

Los átomos de silicio y germanio comparten una particularidad, en su ultima orbita cuentan con 4 electrones de valencia, estos son potencialmente electrones libres, analizando al germanio podemos notar que sus electrones están en la capa numero 4, por ende necesitan poca energía exterior para que sus átomos pasen a la barrera de conducción, sin embargo esta característica hace que el germanio sea inestable en temperaturas elevadas, el silicio por su parte posee sus electrones de valencia en la capa de 3, así es que necesario introducirle mayor energía para que sus electrones de valencia pasen a la barra de conducción, esto hace al silicio un material más idóneo para la fabricación de componentes electrónicos que el germanio.

Diagrama atómico del Silicio y del Germanio
Diagrama atómico del silicio y germanio

Enlaces covalentes

Un enlace covalente se produce cuando dos o más átomos se unen entre si compartiendo sus electrones de la capa exterior en grupos de octetos, el silicio y germanio son materiales formados por redes covalentes, el hecho de que cada átomo de estos elementos cuente con 4 electrones de valencia da como resultado una formación cristalina donde todos los electrones de valencia están sometidos a cargas de atracción productos de los átomos circundaste, es decir, los electrones están en equilibrio y no abandonan su átomo, en este estado ni el germanio ni el silicio son conductores eléctricos, pero si a esta red la sometemos a una fuente externa de energía estos enlaces se romperían y el material seria conductor eléctrico, esta es la explicación de como funciona un material semiconductor. 


Ilustración del enlace covalente de los átomos de silicio

Enlaces covalentes en un cristal de Silicio
Enlaces covalentes en un cristal de silicio

Corriente en semiconductores

La corriente no es más que la circulación de electrones, en la estructura atómica del silicio es relativamente fácil, incluso con la temperatura ambiente es suficiente para desprender los electrones de valencia de su órbita y que estos pase a la banda de conducción, cuando esto sucede se genera un «hueco» o agujero dentro de la ultima banda del átomo de silicio, estos huecos pueden ser usados como puentes para que los electrones circulen.

Creación de electrones libres en el silicio
Creacion de pares de electrón-hueco en un cristal de silicio. Los electrones

Circulación de corriente en el silicio

Es suficiente con aplicar un pequeño voltaje a la estructura del silicio para que esta comience a liberar electrones y crear huecos que permitan a su vez permitan la circulación de corriente por el semiconductor, en la siguiente imágenes podemos observar el proceso de circulación de los electrones de silicio cuando es sometido a un voltaje.

Diagrama de como circulan la electricidad en un semiconductorCorriente de huecos en silicio intrínseco
  1. Al aplicar voltaje un electrón el liberado de su átomo, dejando a su paso un «hueco».
  2. Un electrón de valencia se desplaza hacia el 1er. hueco y deja un 2do hueco.
  3. Un electrón de valencia se desplaza al 2do. hueco y deja un 3er. hueco.
  4. Un electrón de valencia se desplaza al 3er. hueco y deja un 4er. hueco.
  5. Un electrón de valencia se desplaza al 4er. hueco y deja un 5er. hueco.
  6. Un electrón de valencia se desplaza al 5er. hueco y deja un 6er. hueco.

Semiconductores de tipo N y tipo P

El silicio en su estado puro es ineficiente, dado que no existen suficientes huecos para que la corriente circule con facilidad, por tanto es necesario crear estos agujeros de forma artificial, eso se logra por medio del dopado.

Dopado

El dopado consiste en colocar impurezas en el silicio o germanio, esto genera un desbalanceo en la cantidad de huecos y electrones libres, si se aumenta la cantidad de huecos se dice que el material es de tipo P, y si cantidad de electrones libres es superior, el material se considera de tipo N.

Tipo N:

El numero de electrones libres en un material semiconductor se consigue añadiendo de forma controlada átomos pentavalentes, es decir, con 5 electrones de valencia, al unirse covalentemente con los átomos de silicio esto da como resultado un electrón sobrante. Los átomos pentavalentes usados para dopar el silicio son el fósforo (P), arsénico (As), bismuto (Bi) y el antimonio (Sb).

Semiconductor tipo N dopado con Antimonio (Sb)
Semiconductor tipo N dopado electrón libre


Tipo P:

Para aumentar el numero de huecos dentro del silicio es necesario agregar átomos trivalentes de forma controlada, de esta forma cuando un átomo trivalente se una covalentemente con otros átomos de silicio el resultado será un hueco en la estructura cristalina. Los átomos trivalentes usados son el boro (B), indio (In) y el galio (Ga).

Semiconductor tipo P dopado con Boro (B)

Semiconductor tipo N dopado hueco libre

Conclusiones

Los materiales semiconductores permiten la circulación de corriente, siempre que exista una energía externa que logre liberar los electrónicos en la órbita mas alejada del núcleo del átomo. El silicio es menos susceptible a cambios por temperatura ambiente en comparación al germanio, por esta razón la mayoría de los dispositivos electrónicos están fabricados con silicio y no con germanio. Existen semiconductores de tipo P y N, la unión de estos materiales da como resultado la invención del diodo y de los transistores los cuales son el pilar de todas los dispositivos electrónicos que dispones en la actualidad.

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