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MATERIALES SEMICONDUCTORES
En el anterior artículo bajo la etiqueta "electrónica en el automóvil" hablamos sobre los materiales conductores de la electricidad y sobre los materiales aislantes. En concreto relacionamos el nº de electrones de conducción (los de la última capa) y el nº de capas con la mayor o menor facilidad de los materiales para conducir la electricidad. Cuanto menor es el nº de electrones en la última capa y cuanto mayor sea el nº de capas tendremos materiales mejores conductores.
¿Qué sucede con los materiales que se denominan semiconductores?
En cuanto a su estructura atómica hay que decir que tienen cuatro electrones en su última capa. Esto podrían hacernos pensar que se trata de unos materiales buenos conductores de la electricidad.
Pero tanto el germanio como el silicio (que son los materiales semiconductores mas importantes en la industria) realizan entre sus átomos un tipo de unión que los convierte prácticamente en aislantes: El enlace covalente.
El enlace covalente consiste en que los electrónes de la última capa de un átomo comparten otros cuatro electrones de los átomos que están alrededor,
generando una estructura en forma de red muy estable en cuanto a las propiedades eléctricas.
Al compartir estos electrones, cada átomo tiene en su última capa a ocho electrones girando alrededor de su nucleo y esto modifica su comportamiento eléctrico, ya que las últimas capas son ahora muy estables desde el punto de vista eléctrico. Se podría decir que los semiconductores son dieléctricos, pero en los fenómenos eléctricos influyen tambien otras cuestiones como la temperatura. Si en el entorno del cero absoluto conseguimos una situación de reposo total de los electrones, según vayamos aumentando la temperatura los átomos comienzan a oscilar, tanto más cuanto mayor sea la temperatura. Esto provoca la ruptura de algunos enlaces covalentes y los electrones que se liberan comienzan a comportarse como electrones de conducción que se desplazan libremente por la estructura del cristal.
La ausencia de un electrón de su órbita genera también un hueco libre que tambien se desplaza libremente por la estructura del cristal. Cada vez que se produce este fenómeno se dice que se ha generado un par hueco-electrón. El nº de pares hueco-electron aumenta rápidamente con la temperatura, aumentando así el nº de portadores de carga. De esto podemos deducir que aun el cristal semiconductor más puro es ligeramente conductor.
A esta conducción se la denomina "intrínseca" ya que todo el proceso se produce internamente, es decir, los portadores decarga proceden del mismo material; la conducción intrínseca aumenta con la temperatura.
El proceso descrito también se produce en dirección contraria; cuando los electrones y los huecos se desplazan desordenadamente por la estructura del cristal, puede suceder que se produzca el choque entre un electrón y un hueco y que uno atrape al otro; es lo que se denomina recombinación. Para una misma temperatura el nº de pares hueco-electrón se mantiene constante, por lo que cuando se produce la recombinación de un par se genera otro par en algún otro punto.
MATERIALES CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD
Desde el punto de vista de la conductividad eléctrica podemos clasificar los materiales en conductores, aislantes y semiconductores. Para entender esta clasificación, y como asunto previo y necesario para adentrarnos en la electrónica, repasaremos brevemente la estructura atómica de los materiales y la influencia que esto tendrá sobre el grado de conductividad.
Para estudiar este aspecto emplearemos el modelo atómico de Bohr que, aunque superado por otros modelos, sirve como referencia para el estudio de este tema.
Lo que se propone es este modelo es que los átomos que forman la materia están compuestos por un núcleo y una corteza. En el núcleo habitan las cargas positivas o protones y los neutrones, que ejercen una función de aglutinante nuclear e impiden que las fuerzas de repulsión entre cargas del mismo signo consigan la desintegración del núcleo.
En la corteza están las cargas negativas o electrones. Los electrones están alejados del núcleo y en constante movimiento alrededor de su órbita, de manera que el efecto centrífugo impide que sean atraídos por el núcleo, que como se ha dicho es positivo con relación a su entorno.
Según Bohr los electrones solo pueden moverse dentro de una órbita concreta y con unos niveles de energía determinados. Dentro de estos niveles de energía se pueden establecer distintas órbitas, pero hasta que no se completa un nivel de energía no puede iniciar la construcción de otro superior. Así tenemos que para un átomo de hidrógeno (H) existirá una órbita con un electrón. El helio (He) tendría dos electrones en ese primer nivel. Pero para el siguiente elemento (litio) el primer nivel estaría lleno y no se podría colocar en él ningún electrón más, por lo que aparecería un segundo nivel con dos órbitas; en la primera se colocaría el tercer electrón que forma parte del litiio (Li).
En la imagen se puede ver como se estructuraría el átomo del Cobre según este modelo. Los diferentes estratos se van llenando progresivamente (el primero con una órbita y dos electrones, el segundo con dos órbitas, una con dos electrones y otra exterior con seis, un tercer estrato con tres órbitas con dos, seis y diez electrones y un último estrato con una órbita con un solo electrón)
Aceptamos que la estructura atómica de los diferentes elemento se organiza del mismo modo, aunque con diferente número de electrones.
Desde el punto de vista de la conducción eléctrica, lo relevante es el número de electrones de la última capa y el número de capas. En la siguiente imagen se ve un esquema de las capas en tres dimensiones del átomo de Cobre (Cu) y del átomo de Plata (Ag)
La característica común es que en la última capa tienen un solo electrón y lo que les diferencia es que en el caso de la plata existe una capa más que el el cobre.
A los electrones de la última capa, por ser los encargados de la conducción eléctrica se les denomina así; electrones de conducción. La fuerzas de atracción que ejerce el núcleo sobre estos electrones será menor cuanto más separados estén el núcleo de los electrones; podemos afirmar que estos dos materiales son buenos conductores de la electricidad por tener un solo electrón el la última capa y además que la plata es mejor conductor que el cobre por tener su electrón de conducción más alejado del núcleo.
Mientras no se aplica una fuerza que ordene el movimiento de los electrones de conducción estos se desplazan desordenadamente por el metal, pero cuando se aplica una tensión, los electrones de conducción se dirigen hacia el polo positivo del generador con el que aplicamos la tensión. Cuanto mayor sea el número de electrones de conducción, mejor será la conductividad del material.
Pasa lo contrario con los aislantes; sus últimas capas están completas de electrones la movilidad de estos es prácticamente nula fuera de las órbitas establecidas.
Enlaces relacionados:
http://vicentesanchez.blogia.com/2009/031201-electronica-en-el-automovil.-introduccion.php
NUEVO TEMA: ELECTRÓNICA EN EL AUTOMÓVIL
A partir de este curso, y con el objetivo de organizar los artículos de este blog, sobre todos los relacionados con la técnica del automóvil, aparece un nuevo tema "electrónica en el automóvil". Ya durante el curso pasado inicié lo que quiere ser una serie sobre este tema; los próximos artículos sobre electrónica aplicada al automóvil aparecerán bajo esta etiqueta. Esto no quiere decir que abandone los demás temas; el blog no va a perder de vista su objetivo de informar sobre distintos aspectos de la formación profesional y de servir de herramienta de estudio a los alumnos.
Para inaugurar este tema dejo los enlaces a estos dos artículos.
