Clase 014 – Conductores, semiconductores y aislantes
Contenido teórico
Resumen
En términos eléctricos, todos los materiales se puede clasificar en tres grupos:
- Conductores: Dejan que circule la corriente eléctrica a través de ellos
- Aislantes: No permiten el paso de la corriente eléctrica a través de ellos.
- Semiconductores: Se encuentra entre los conductores y el aislante, pues necesita de una fuerza externa para permitir el paso de corriente eléctrica.
Introducción
Para entender bien cómo funcionan los conductores, los semiconductores y los aislantes es importante entender qué es la electricidad. En una entrada previa, explicábamos qué es la corriente eléctrica en un modo más conceptual, pero aquí vamos a aclarar con es la intensidad eléctrica a nivel atómico.
Qué es la electricidad
La corriente eléctrica no es más que el movimiento de electrones libres. Como se ha explicado en la entrada sobre la estructura atómica, los electrones libres son aquellos situados en la banda de valencia que, tras recibir energía externa (ya sea, por ejemplo, en forma de calor o en forma de voltaje), quedan liberados del átomo al que pertenecían, permitiendo circular libremente.
Pues bien, el movimiento de estos electrones libres producen un movimiento de cargas negativas a lo largo del tiempo y, si recordamos de la entrada ya mencionada sobre la intensidad eléctrica, se puede ver que:
\[ I=\frac{Q}{t} \]
o más concretamente, en un instante de tiempo:
\[ I=\frac{dq}{dt} \]
Modelo de bandas de energía
Las bandas de energía
Cuando un electrón adquiere suficiente energía, ese electrón abandona la capa de valencia y se convierte en un electrón libre, permitiendo que en ese material haya una circulación de electrones y, por tanto, una corriente eléctrica, creando lo que se conoce como banda de conducción.
La diferencia de energía que hay entre la banda de energía y la banda de conducción se conoce como hueco de energía (o energy gap).
Por tanto, cuanto mayor sea este hueco de energía, más energía habrá que aportar a los electrones de la banda de valencia para que pasen a la banda de conducción y pueda circular corriente eléctrica a través de ese material.
Conductores
Los materiales conductores son aquellos que dejan pasar la intensidad eléctrica a través de ellos. Esto se debe a que tienen un único átomo en la capa de valencia que se puede desprender muy fácil del átomo.
Según el modelo de bandas de energía, podemos ver que los conductores tienen la banda de valencia y la banda de conducción superpuestas, lo que permite el paso de los electrones a la banda de conducción sin necesidad de aplicar energía externa.
Semiconductores
Los semiconductores son materiales que están entre los conductores y los aislantes. Este tipo de materiales tienen un energy gap lo suficientemente grande como para que si no se le aplica energía externa se comporte como un aislante pero si se le aplica un poco de energía externa, actuará como conductor.
Esta características es muy importante, pues si lo piensas bien, al final podemos tener un interruptor electrónico:
- Si aplicamos energía a un material semiconductor, se convierte en un conductor y permite el paso de corriente.
- Si no aplicamos energía a un material semiconductor, se convierte en un aislante y NO permite el paso de corriente.
Aislantes
Los materiales aislantes son aquellos que no dejan circular la intensidad eléctrica a través de ellos. Esto se deba a que los átomos de la capa de valencia están muy unidos al núcleo, lo que provoca que se queden unidos a ese átomo. Al haber esta fuerza entre el núcleo y los electrones de la capa de valencia, es necesario aplicar mucha más energía a los electrones para que se desprendan del átomo y pasen a formar parte de la banda de conducción
Es útil entender que, aunque por definición un material aislante no deja circular la intensidad eléctrica a través de él ya que no permite que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción, si se le aplica la suficiente energía a los electrones de un material aislante, este dejará pasará la electricidad
Silicio y germanio
La mayoría de componentes electrónicos están hecho de Silicio pero hay otros que están hecho de Germanio. Ahora vamos a ver cuando se utiliza uno u otro.
El número atómico del Germanio es de 32, mientras que el número atómico del Silicio es de 14 y presentan la siguiente configuración atómica:
Como se puede ver, la banda de valencia del Silicio está mas cerca al núcleo atómico que la banda de valencia del germanio. Debido a esto, un electrón de la banda de valencia del Silicio necesitará más energía para pasar a ser un electrón libre que un electrón del Germanio.
A primera vista puede parecer que nos interesa tener componentes electrónicos compuestos por Germanio, ya que se necesitará menos energía para que pasen a ser conductores y, por tanto, consumirán menos batería. Sin embargo, esto también supone un problema, ya que el mínimo calentamiento
Conclusión
En esta entrada se ha intentado explicar de forma sencilla las principales diferencias entre los conductores, los semiconductores y los aislantes.
Animo .a que el lector entienda bien la aplicación de los semiconductores como interruptores electrónicos, ya que es la base de los transistores y de toda la electrónica digital. En siguientes entradas nos adentraremos profundamente en el mundo de los transistores y de sus aplicaciones reales.
Poco a poco nos vamos acercando a nuestro objetivo que es saber realmente como funcionan los principales componentes semiconductores para poder usarlos en nuestras circuitos electrónicos.