Conductores, semiconductores y aislantes

Julio César González Torres

El tipo de enlace que forma al sólido determina las propiedades electrónicas del material.

Hielo.Fuerzas de Van der Waals.

CuarzoEnlace covalente.

Oro.Enlace metálico.

En los sólidos formados por enlaces covalentes, iónicos (sales) y por fuerzas de Van der Waals no hay electrones ni orbitales disponibles para la conducción de electricidad.

Teoría cuántica de orbitales moleculares.

La combinación de dos orbitales atómicos genera orbitales moleculares.

H

1s

H

1sEne

rgía

σ

σ*

H2

Analicemos el enlace H2

Si

O

3p3

2p

3s2

O2p

CuarzoEnlace covalente.

Ene

rgía

Si

OO

Si

3p3

CuarzoEnlace covalente.

9 eVE

nerg

ía

Orbitales ocupados

Orbitales desocupados

Materiales formados por un metal y un no metal

OTi3d2

2p

4s2

3p6

TiO2

Ene

rgía

Ti

O2p

3s2

O2p

Ti

3d

TiO2

3.2 eVE

nerg

ía

3p

σ

σ*

Analicemos el enlace de Al2

3s

2p

2s

2s

3p

3s

2p

2s

2s

σ

σ*

Analicemos el enlace de Al4

σ

σ*

Analicemos el enlace de Aln

Banda de conducción

Banda de valencia

Banda de Conducción

Banda de Valencia

ConductorAu

AislanteCuarzo SiO2

Banda de Conducción

Banda de Valencia

9 eV

SemiconductorSilice Si

Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.17 eV

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Banda de Valencia

Eg<0.5 eVConductor

Banda de Conducción

Eg>4 eVAislante

Banda de Conducción

Banda de Valencia

0.5 eV>Eg<4 eV

Semiconductor

¿Cómo se explica la conductividad eléctrica con la teoría de bandas?

Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.17 eV

Cuando no hay una energía que perturbe al material, los electrones están en la banda de valencia, en su estado de mínima energía.

Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.17 eV

Cuando se le perturba con energía

Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.17 eV

h+

h+

Pot

enci

alN

egat

ivo P

otencial

Positivo

h+

¿Qué tipo de energía puede excitar a los electrones?

h+

¿Qué tipo de energía puede excitar a los electrones?

Energía Térmica

Potencial Eléctrico

Radiación electromagnética

Energía Térmica

La temperatura puede excitar a los electrones de los conductores.

La disipación de la temperatura es crucial en los microprocesadores.

Una batería puede inducir corriente eléctrica en un conductor y en un semiconductor

Los electrones se mueven hacia el déficit de electrones y los huecos se mueven hacia el exceso de electrones.

Energía Térmica

Potencial Eléctrico

Radiación electromagnética

Dependiendo del material, la luz visible puede excitar electrones

Los electrones y los huecos generan reacciones con las especies en el medio y pueden degradar materia orgánica

Radiación electromagnética

Semiconductor

Luz

¿Cómo modificar las propiedades de los semiconductores?

3p

σ

σ*

3p

σ

σ* Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.17 eV

Si Si

3s 3s

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

σ

σ*

σ

σ* Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.0 eV

Introduciendo estados desocupados

Contaminando al material con elementos

σ

σ*

σ

σ* Banda de Conducción

Banda de Valencia

1.0 eV

Introduciendo estados ocupados

Contaminando al material con elementos

Banda de Conducción

Banda de Valenciah+

Si

Si

Si

Si

Al

Si

Si

Si

Si

Semiconductor Tipo P

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Semiconductor Tipo N

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Semiconductor Tipo N

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Si

Si

Si

Si

Al

Si

Si

Si

Si

Semiconductor Tipo P

Banda de Conducción

Banda de Valencia

Semiconductor Tipo PN

Banda de Conducción

Banda de Valencia

DiodoTipo PN