Estructura

1. ESTRUCTURA DE LA
MATERIA
MATERIALES CONDUCTORES
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Y MATERIALES DIELÉCTRICOS
2015-1
Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D
MJ 12- 14
19-03-2015

2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
 Cualquier fenómeno eléctrico
es debido a la existencia del
átomo.
 Todo átomo esta constituido
en su centro por un núcleo, el
cual está conformado por
neutrones y protones.
 Los neutrones no poseen
carga eléctrica, es decir, no
son ni positivos ni negativos.
 Los protones son de carga
eléctrica positiva o (+).
 Alrededor del núcleo giran a
gran velocidad los electrones.
 El electrón posee una carga
eléctrica negativa o (-).
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

3. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO (2)
Los átomos pueden tener varias órbitas
con electrones. En la última órbita de un
átomo puede haber como mínimo un
electrón y como máximo solamente ocho
electrones.

4. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO (3)
El Átomo Neutro:
•Se dice que un átomo
está neutro o en
equilibrio cuando
tiene la misma
cantidad de
electrones y de
protones. Los
neutrones siempre
existen en número
par.
La Ley del Octeto:
•Esta ley dice que todo
átomo tiende a
completar ocho
electrones en su
última órbita. Para
esto, si es necesario,
tomarán electrones
de los átomos
vecinos.

5. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES SEGÚN SU
CONDUCTIVIDAD
Según la cantidad de corriente eléctrica que
pueda pasar, los materiales se clasifican en:
Conductores
Semiconductores
Aislantes
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

6. MATERIALES CONDUCTORES
Son todos aquellos que permiten que una
corriente eléctrica circule fácilmente a
través de ellos.
Entre estos materiales tenemos todos los
metales.
Los mejores conductores son La Plata, El
Oro y el Cobre. Se emplea mucho éste
último por ser barato.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

7. MATERIALES CONDUCTORES (2)
Todo material conductor posee entre uno
y tres electrones en su última órbita.
A estos electrones se les llama "Electrones
Libres" porque el átomo los puede perder
o robar fácilmente y así permite la
conducción de una corriente.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

8. MATERIALES AISLANTES
Tienen desde cinco hasta ocho electrones
en su última órbita.
Ellos no ceden sus electrones y por lo
tanto no permiten paso de corriente.
El caucho, la porcelana, el plástico, el
vidrio, son materiales aislantes.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

9. Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

10. MATERIALES SEMICONDUCTORES
Tienen Cuatro electrones en su última
órbita.
Por estar en la mitad del octeto se pueden
convertir en aislantes o en conductores
mediante procedimientos de laboratorio
llamados Doping (Dopaje).
El Germanio (Ge) y el Silicio (Si) son los
semiconductores de mayor uso.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

11. MATERIALES SEMICONDUCTORES (2)
Si los conductores son materiales que
disponen de electrones libres y los
aislantes carecen de ellos, los
semiconductores se encuentran en una
situación intermedia:
A la temperatura de 0oK se comportan como
aislantes, pero mediante una aportación de energía
puede modificarse esta situación, adquiriendo un
comportamiento más cercano al de los
conductores.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

12. MATERIALES SEMICONDUCTORES (3)
Los materiales semiconductores más comunes
son el silicio (Si) el germanio (Ge), pero también
hay otros materiales compuestos como el
arseniuro de galio (GaAs), el telurio de cadmio
(CdTe) y otros muchos.
Todos estos materiales están compuestos por
elementos que tienen cuatro electrones en su
capa exterior, como el Si y el Ge que están en la
fila IV de la tabla periódica, o por dos elementos
distintos uno de la fila III y otro de la V, de
manera que entre los dos suman ocho electrones
en su capa más exterior.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

13. ESTRUCTURA DEL SILICIO
Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre
(después del oxígeno) con un porcentaje en peso del 25,7%.
Está presente en multitud de materiales, tan diversos como la
arena, la arcilla, el vidrio o el hueso.
El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las
condiciones adecuadas puede obtenerse en forma de
estructuras monocristalinas.
En éstas, los átomos se disponen según una red tipo diamante
con simetría cúbica, en donde cada átomo forma enlaces
covalentes con otros cuatro adyacentes. Así todos los átomos
tienen la última órbita completa con ocho electrones.

14. ESTRUCTURA DEL SILICIO (2)
En la figura se aprecia que todos los electrones de
valencia están asociados a un enlace covalente. Por
tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro
y monocristalino a 0oK se comporta como un
material aislante.

15. GENERACIÓN TÉRMICA DE PORTADORES.
Si se eleva la temperatura del monocristal de silicio
por encima de 0oK, parte de la energía térmica
permite liberar alguno de los electrones.
Ello produce dos efectos:
Aparece un electrón libre capaz de moverse a través de la
red en presencia de un campo eléctrico.
En el átomo al que se asociaba el electrón aparece un
defecto de carga negativa, es decir, una carga positiva, que
se denomina hueco.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

16. GENERACIÓN TÉRMICA DE PORTADORES (2)
Globalmente, el cristal mantiene la neutralidad
eléctrica, ya que no ha ganado ni perdido cargas.
Cuando se producen electrones libres en un
semiconductor únicamente por agitación térmica,
existen huecos y electrones en números iguales,
porque cada electrón térmicamente excitado deja
detrás de sí un hueco.
Un semiconductor con un número igual de huecos
y electrones se denomina intrínseco.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

17. IMPURIFICACIÓN O DOPADO DE LOS
SEMICONDUCTORES
 En un semiconductor intrínseco las concentraciones de huecos y de
electrones pueden alterarse mediante la adición de pequeñas cantidades de
elementos llamados impurezas o dopantes, a la composición cristalina.
 Este procedimiento se llama contaminación del semiconductor.
 Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones,
pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda de energía y
cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.

18. IMPURIFICACIÓN O DOPADO DE LOS
SEMICONDUCTORES (2)
La cuestión es: ¿Qué sucede si además de
elevar la temperatura por encima de 0oK
consideramos la presencia de impurezas
en el silicio?.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

19. IMPURIFICACIÓN O DOPADO DE LOS
SEMICONDUCTORES (3)
Supongamos que sustituimos un átomo de silicio (que pertenece al
grupo IV) por otro de fósforo (grupo V), pentavalente.
Como sólo hay la posibilidad de establecer cuatro enlaces
covalentes con los átomos de silicio adyacentes, un electrón
quedará libre.
Teniendo en cuenta esto, es fácil deducir que es lo que ocurrirá si se
sustituye un átomo de silicio por otro de un elemento perteneciente
al grupo III, el boro por ejemplo: evidentemente se introducirá un
hueco, ya que el boro solo aporta tres electrones de valencia. Las
dos situaciones se clarifican en la siguiente figura :

20. IMPURIFICACIÓN O DOPADO DE LOS
SEMICONDUCTORES (4)
Si la sustancia contaminante tiene electrones
libres extra, se conoce como donador, y el
semiconductor contaminado es de tipo n.
Los portadores mayoritarios son electrones y
los portadores minoritarios son huecos.
El tipo n se crea a través de la introducción de
elementos de impureza que poseen cinco
electrones de valencia (pentavalentes), como
el antimonio, arsénico y fósforo.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

21. EJEMPLO DE SEMICONDUCTOR TIPO N
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

22. IMPURIFICACIÓN O DOPADO DE LOS
SEMICONDUCTORES (5)
Si la sustancia contaminante tiene huecos extra, se
conoce como aceptor o receptor, y el semiconductor
contaminado es de tipo p.
Los portadores mayoritarios son huecos y los
portadores minoritarios son electrones.
El material tipo p se forma mediante el dopado de un
cristal puro de germanio o de silicio con átomos de
impureza que poseen tres electrones de valencia. Los
elementos que se utilizan con mayor frecuencia para
este propósito son el boro, galio e indio.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

23. EJEMPLO DE SEMICONDUCTOR TIPO P
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

24. CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN
SEMICONDUCTORES
Dada la especial estructura de los
semiconductores, en su interior
pueden darse dos tipos de corrientes:
Corrientes por
arrastre de
campo
Corrientes por
difusión
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

25. CONDUCCIÓN POR ARRASTRE DE CAMPO
Supóngase que se dispone de un
semiconductor con un cierto número de
electrones y de huecos, y que se aplica en
su interior un campo eléctrico :
Electrones libres: La fuerza que el campo eléctrico
ejerce sobre los electrones provocará el
movimiento de estos, en sentido opuesto al del
campo eléctrico. De este modo se originará una
corriente eléctrica.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

26. CONDUCCIÓN POR ARRASTRE DE CAMPO (2)
La densidad de la corriente eléctrica (número de
cargas que atraviesan la unidad de superficie en la
unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que
actúa (qE), del número de portadores existentes y
de la "facilidad" con que estos se mueven por la
red. Es decir :
 
qE
en
Je 
En donde:
Je = Densidad de corriente de electrones
e = Movilidad de los electrones en el
material
n = Concentración de electrones
q = Carga eléctrica.
E = Campo eléctrico aplicado

27. CONDUCCIÓN POR ARRASTRE DE CAMPO (3)
La movilidad es característica del material,
y está relacionada con la capacidad de
movimiento del electrón a través de la red
cristalina.
 
qE
en
Je 
En donde:
Je = Densidad de corriente de electrones
e = Movilidad de los electrones en el
material
n = Concentración de electrones
q = Carga eléctrica.
E = Campo eléctrico aplicado
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

28. CONDUCCIÓN POR ARRASTRE DE CAMPO
(4)
El campo eléctrico aplicado
ejerce también una fuerza
sobre los electrones asociados
a los enlaces covalentes.
Esa fuerza puede provocar que
un electrón perteneciente a un
enlace cercano a la posición
del hueco salte a ese espacio.
Así, el hueco se desplaza una
posición en el sentido del
campo eléctrico. Si este
fenómeno se repite, el hueco
continuará desplazándose.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

29. CONDUCCIÓN POR ARRASTRE DE CAMPO
(5)
Aunque este movimiento se produce por
los saltos de electrones, podemos suponer
que es el hueco el que se está moviendo
por los enlaces.
La carga neta del hueco vacante es
positiva y por lo tanto, se puede pensar en
el hueco como una carga positiva
moviéndose en la dirección del campo
eléctrico.
Electrónica Análoga I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

30. CONDUCCIÓN POR DIFUSIÓN DE
PORTADORES :
Difusión:
 Como ejemplo, considere que en un
compartimiento se introduce un gas
A, y en el otro un gas B.
 Si en un momento determinado se
abre una comunicación entre las
dos estancias parte del gas A
atravesará la pared para ocupar el
espacio contiguo, al igual que el B.
El resultado final es que en ambas
estancias tendremos la misma
mezcla de gases A+B.
La difusión de partículas es un mecanismo de transporte puramente
estadístico, que lleva partículas "de donde hay más, a donde hay menos",
siempre que no haya ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar dicho
proceso.