Clase 013 – La Estructura Atómica
Contenido teórico
Resumen
Un átomo es la menor porción de un elemento químico (como puede ser el cobre, el silicio, el germanio…) que posee las características de dicho elemento.
Dentro del átomo se distinguen dos partes fundamentales: el núcleo y la corteza. El núcleo está formado por los protones y los neutrones mientras que la corteza está formada por electrones que giran en órbitas alrededor del núcleo atómico.
Cada elemento de la tabla periódica tiene un número atómico único, que es igual al número de protones (o electrones) que tiene ese elemento concreto.
Introducción
Los semiconductores son el pilar básico de todo circuito electrónico relativamente complejo, pues gracias a ellos somos capaces de crear los componentes necesarios para fabricar desde los LEDs que iluminan tu casa hasta los microprocesadores de última generación. Hacer un circuito electrónico sin ningún componente semiconductor es hoy día casi imposible.
¿Se pueden hacer circuitos electrónicos sin utilizar semiconductores? La respuesta es sí, pero no todos los circuitos. Además, esto supondrá una inversión de tiempo, espacio y dinero innecesario.
A pesar de que a lo largo de la Lección I se ha explicado qué es un átomo, en esta entrada lo vamos a explicar desde 0 para tener todos los conceptos claros.
Antes de comenzar, vamos a definir los siguientes términos para que todo el mundo logre comprender la entrada:
- Protón: partícula cargada positivamente que se encuentra en el núcleo del átomo.
- Neutrón: carga sin carga (o carga neutra) que se encuentra en el núcleo del átomo.
- Electrón: partícula cargada negativamente que orbita alrededor del núcleo del átomo.
¿Qué es un átomo?
Un átomo es la partícula más pequeña que compone la materia y que tiene las características de un elemento concreto.
A lo largo de la historia de la humanidad, se han desarrollado múltiples teorías para lograr entender como funciona un átomo. Aunque el modelo más actual es el modelo de Schrödinger, en esta entrada nos centraremos en el modelo atómico de Bohr, pues es mucho más sencillo de comprender. La única diferencia es que, mientras que Schrödinger utilizó un método probabilístico para determinar la posición de los electrones, Bohr estableció en su modelo que cada electrón tenía ruta alrededor de la órbita exacta.
Todo esto acerca del modelo de Bohr lo iremos explicando a lo largo de esta entrada, sin embargo, si quieres profundizar un poco más acerca de las diferencias de ambos modelos atómicos, dejo un enlace para saber cuáles son las diferencias entre los modelos atómicos de Schrödinger y el de Bohr.
Número atómico
El número atómico de un átomo es el número de protones (o electrones) que tiene un átomo. Da igual si contamos el número de electrones o el número de protones ya que ambos son iguales. Esto se debe a que en la naturaleza todo los átomos tienen carga neutra, esto quiere decir que por cada electrón (por cada carga negativa), existe un protón (existe una carga positiva) y ambas cargas son siempre iguales.
El hidrógeno, por ejemplo, tiene número atómico de 1, pues sólo tiene 1 protón en el núcleo. Por otra parte, el silicio tiene un número atómico de 14, pues tiene 14 protones en el núcleo (o 14 electrones orbitando)
| Elemento | Número atómico |
| Silicio | 14 |
| Germanio | 32 |
| Fósforo | 15 |
| Boro | 5 |
El modelo atómico de Bohr
Según el modelo atómico de Bohr, los átomos están formados por una estructura planetaria: un núcleo compuesto de protones y neutrones sobre el que orbitan electrones.
Orbitales atómicos
Las órbitas de los electrones se encuentran a una cierta distancia del núcleo. Cada átomo tiene varias órbitas por las que circulan los electrones.
Para seguir es necesario saber lo siguiente:
- Cuanto más cerca se encuentra una órbita del núcleo atómico, menos energía necesita un electrón para colocarse en dicha órbita.
- Cuanto más lejos se encuentra una órbita del núcleo atómico, más energía necesita un electrón para colocarse en dicha órbita.
Esto se debe a que el núcleo (formado por protones y neutrones) tiene cargas positivas, mientras que un electrón tiene cargas negativas. Pues bien, cuanto más cerca están estas cargas negativas de las cagas positivas (una órbita más cercana al núcleo atómico), más difícil es hacer alejar un electrón de esa órbita del núcleo. Por tanto, el electrón necesita menos energía para permanecer en esa órbita y no desprenderse del átomo. Esto se puede entender mejor con un imán: cuanto más cerca tenemos el polo positivo de un imán con el polo positivo de otro, menos fuerza hay que sobre el imán para que ambos imanes estén cerca y no se separen unos de otro, pues ellos mismos tienden a acercarse. Sin embargo, cuanto más lejos esté uno de otro, menos fuerza habrá que hacer para se separen (pues se atraen menos que cuando están cerca) y, por tanto, habrá que ejercer más fuerza para que permanezcan juntos que sobre los imanes que están mas cerca.
Hay órbitas de un mismo átomo con distancias al núcleo muy parecidas entre sí. Debido a esto, las órbitas se agrupan en bandas de energía:
Debido a esto y a que cada grupo de órbitas (o cada banda de energía) tiene un número finito de electrones que puede admitir, primero se van rellenando las bandas de energía más cercanas al núcleo (pues necesitan menos energía), y posteriormente, se van rellenando las más alejadas hasta que no queden más electrones disponibles.
En cada banda de energía puede haber un número máximo de electrones:
\[N_{electrones}=2\cdot n^2\]
Donde n es el número de la banda de energía
- En la banda 1, puede haber un máximo de 2 electrones.
- En la banda 2, puede haber un máximo de 8 electrones.
- En la banda 3, puede haber un máximo de 18 electrones.
- En la banda 4, puede haber un máximo de 32 electrones.
Electrones de valencia
A los electrones situados en la banda de energía más alta, es decir, en la órbita más alejada del núcleo atómico, se le conoce como electrones de valencia.
Como hemos explicado, los electrones situados en las órbitas más alejadas al núcleo tienen más energía, por lo que necesitan menos energía para que se desprendan totalmente del átomo e interactúen con otro átomos al que pertenecía inicialmente.
Ionización
Cuando los electrones situados en la banda de valencia absorben un poco de energía (por ejemplo, adquieren mas temperatura), se desprenden del átomo y se convierten en electrones libres, pues no pertenecen a ningún átomo.
Cuando un átomo pierde un electrón se denomina ionización y el átomo pasa de tener carga neutra a tener carga positiva, pues el número de protones será mayor al de electrones.
A medida que este electrón libre va perdiendo energía, se acopla a una banda de valencia de otro átomo. Si este átomo se encontraba con carga neutra, ahora pasará a tener carga negativa, pues el número de electrones será mayor al de protones.
Conclusión
A pesar de que esta entrada ha sido más teórica de lo habitual, estos conceptos son esenciales para tener la base necesaria para lograr nuestro objetivo: saber como funcionan los semiconductores para lograr entender los transistores y diodos necesarios para el proyecto de esta lección.