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Teoría de Bandas

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by

Damián Em

on 7 September 2014

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Transcript of Teoría de Bandas

Definición de Teoría de Bandas
Teoría según la cual se describe la estructura electrónica de un material como una estructura de bandas electrónicas, o simplemente estructura de bandas de energía. La teoría se basa en el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares.
Conductores
Cuando hablamos de conducción de corriente y de materiales, hablamos de grandes cantidades de átomos unidas entre sí, de manera que tenemos muchos electrones, y como ocurría con los metales, podemos agruparlos en departamentos o bandas según su disposición en las estructuras.
Semiconductores
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.
Superconductividad
Es la capacidad intrínseca que poseen ciertos conductores para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas situaciones.
La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida de que la temperatura se reduce.
Algunos semiconductores fuertemente dopados llegan a ser superconductores.
Teoría de Bandas
Equipo 10
Teoría de bandas en conductores
Los metales se caracterizan por su alta conductividad eléctrica. En un metal los átomos se encuentran empacados muy cerca unos de otros de tal forma que los niveles energéticos de cada átomo de magnesio se ven afectados por los de los átomos vecinos, lo cual da lugar a traslape de orbitales. Como el número de átomos existente incluso en un pequeño trozo de sodio metálico es demasiado grande, el correspondiente número de orbitales moleculares que se forman es también muy grande. Estos orbitales moleculares tienen energías tan parecidas que se describen en forma más adecuada como una "banda".
Aislantes
Estos materiales, no conducen la corriente eléctrica, sus átomos ni ceden, ni captan electrones, o bien, los electrones no de desprenden fácilmente. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total o muy o muy alta resistencia al paso de la corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.
El aislante perfecto para para las aplicaciones electricas, seria un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe.

Teoría de bandas en Aislantes
¿Por qué las sustancias como la madera o el vidrio no conducen la electricidad? Básicamente, la conductividad eléctrica de un sólido depende del espaciamiento y el estado de ocupación de las bandas de energía. En un aislante la brecha entre las bandas de conducción y de valencia es considerablemente mayor que en un metal: en consecuencia, se requiere mucho mayor energía para excitar un electrón a la banda de conducción. La carencia de esta energía impide la libre movilidad de los electrones.
Aislantes sólidos
En los sistemas de aislación de transformadores
destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.

Aislantes Líquidos
El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable.
El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70's fue el Ascarel o PCB, que dejo de usarse por ser muy contaminante.
Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación.
Sobre enlaces
Los enlaces covalentes, al
ser entre átomos no metálicos, son los que constituyen a los aislantes. En algunos casos, este tipo de enlace conduce electricidad de forma moderada
Aislantes gaseosos
Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.
 
El SF6 (hexafluoruro de azufre) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no toxico, química y fisiológicamente inerte, no corrosivo no inflamable y no contaminante. Por sus características dieléctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muy elevada, tanto a la frecuencia industrial como a impulso, gracias a su peculiar característica de gas.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.
Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo.
Semiconductores Extrínsecos
Es un semiconductor al cual se le añade un pequeño porcentaje de impurezas es decir, elementos trivalente o pentavalentes. Dicho semiconductor se denomina extrínseco y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de Silicio.
Semiconductor N
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) sustituimos uno de sus átomos por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N“.
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo.

Semiconductores P
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí) sustituimos uno de sus átomos por un átomo de otro elemento que contenga tres electrones en su capa exterior, resulta que estos tres electrones llenarán los huecos que dejaron los electrones del átomo de silicio, pero como son cuatro, quedará un hueco por ocupar. O sea que ahora la sustitución de un átomo por otros provoca la aparición de huecos en el cristal de silicio. Por tanto, ahora los "portadores mayoritarios" serán los huecos y los electrones los portadores minoritarios.

Semiconductores N-P
Una unión n-p se obtiene por la unión de un semiconductor tipo “p” y uno “n”. En el tipo “p” los portadores mayoritarios son lagunas y trataran de difundirse hacia el “n” por lo contrario los portadores mayoritarios del “n” que son los electrones trataran de difundirse ocupando la parte “p” Por tanto uno como otro semiconductor son neutros El dispositivo que venimos analizando constituye lo que se llama un diodo semiconductor de estado solido Cuando al diodo se le aplica externamente una diferencia de potencial como si estuviera paralelo con una pila imaginaria, los electrones del lado n no pueden pasar al lado p porque la pila con su lado positivo refuerza la barrera de potencial.
La polarización del diodo realizada de esta forma se llama polarización inversa, es decir si el diodo se polariza inversamente no conduce corriente. Si invertimos la polarización de los portadores mayoritarios toman la energía necesaria para atravesar la unión venciendo la barrera de potencial y a esta se la denomina polarización directa Diodos luminiscentes.
Diodos luminiscentes
Los diodos luminiscentes son diodos semiconductores que al ser atravesados por una corriente eléctrica emiten radiaciones electromagnéticas en una estrecha banda de longitudes de onda (565 nm a 950 nm).

Dependiendo de la radiación emitida se dividen en:

-Diodos infrarrojos (IRED)
-Diodos emisores de luz (LED)
-Diodos laser

Debido a las bajas temperaturas
que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es complejo y costoso.
Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido.

Comportamiento magnético
El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones.

Un material superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía.

Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.
Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos.
Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica y dispositivos de levitación magnética.

Aplicaciones
Cuestionario
Responder V o F:

1. La banda de conducción está formada por los electrones de valencia.
2. Entre menos electrones de valencia hayan, la conductividad será mejor.
3. Los enlaces covalentes son la mayoría de los aislantes.
4. La conductividad de un semiconductor depende de la temperatura y presión.
5. Ciertos semiconducotres dopados pueden ser semiconductores.
6. El efecto Meissner explica cómo un semiconductor puede conducir electricidad.
7. Un superconductor tiene más resistencia eléctrica que los demás.
8. La conductividad depende del salto energético de un electrón entre las bandas.
9. Para el efecto Meissner es necesario enfriar el superconductor a muy bajas temperaturas.
10. Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débil, éste lo repele.
Proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica, descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887.

Efecto Fotoeléctrico
Hay tres características fundamentales del efecto fotoeléctrico:

1. La velocidad de los fotoelectrones crece con el aumento de la frecuencia de la luz incidente y no depende de su intensidad.
2. Para un metal y una frecuencia de radiación incidentes dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente
3. Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
Los fotones del rayo de luz tienen una energía
característica determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste último tiene más energía que la función de trabajo, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material.
Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.

Sea f la energía mínima necesaria para que un
electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.
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