Nick Connor

En el semiconductor, los portadores de carga libres son electrones y huecos de electrones (pares de electrones-huecos). Los electrones y huecos se crean por excitación de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones (a menudo llamado simplemente agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que podría existir en un átomo.o red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que se encargan de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Dado que en un átomo normal o una red cristalina la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga neta positiva en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los huecos.

La conductividad de un semiconductor se puede modelar en términos de la teoría de bandas de los sólidos . El modelo de banda de un semiconductor sugiere que a temperaturas ordinarias existe una posibilidad finita de que los electrones puedan alcanzar la banda de conducción y contribuir a la conducción eléctrica. En el semiconductor, los portadores de carga libre ( pares de electrones y huecos ) se crean mediante la excitación del electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación dejó un hueco en la banda de valencia que se comporta como carga positiva y se crea un par electrón-hueco. Los agujeros a veces pueden ser confusos, ya que no son partículas físicas de la forma en que lo son los electrones, sino que son la ausencia de un electrón en un átomo. Los agujeros pueden moverse de un átomo a otro. en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones.

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Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción en función de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, esta brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción.

Excitación por radiación ionizante

La energía para la excitación se puede obtener de diferentes formas. Los electrones pueden alcanzar la banda de conducción cuando son excitados por radiación ionizante (es decir, deben obtener energía superior a Egap). En general, las partículas con carga pesada transfieren energía principalmente mediante:

• Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
• Ionización. La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para remover un electrón. Esto da como resultado la creación de pares de iones en la materia circundante.

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como fórmula de Bethe . Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas con carga pesada y estas partículas tienen rangos muy cortos.

Además de estas interacciones, las partículas beta también pierden energía mediante un proceso radiativo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung (“radiación de frenado”) .

Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa. Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• Producción de parejas

En todos los casos, una partícula de radiación ionizante deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria. La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones y huecos . Por ejemplo, el grosor típico del detector de silicio es de aproximadamente 300 µm, por lo que el número de pares de agujeros de electrones generados por partículas ionizantes mínimas (MIP) que pasan perpendicularmente a través del detector es de aproximadamente 3,2 x 10 ⁴ . Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de una superficie de 1 cm ² y el mismo espesor. Tenga en cuenta que una muestra de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 1,26 x 10 ²¹ átomos, pero también contiene 7,5 x 10 ¹¹electrones libres y 7,5 x 10 ¹¹ huecos generados constantemente a partir de thermodynamics/what-is-energy-physics/internal-energy-thermal-energy/»>energía térmica . Como puede verse, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona 10 ¹⁵ electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. El enfriamiento del semiconductor es una forma de reducir esta relación.

Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PN para agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de radiación de silicio. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n.

Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción en función de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, esta brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción.

Excitación óptica y térmica en semiconductores

La energía para la excitación se puede obtener de diferentes formas.

Excitación térmica

Los pares de agujeros de electrones también se generan constantemente a partir de energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa. La excitación térmica no requiere ninguna otra forma de impulso de arranque. Este fenómeno ocurre también a temperatura ambiente. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopantes. Depende en gran medida de la _brecha E (una distancia entre la valencia y la banda de conducción), de modo que para una _brecha E más bajaaumenta un número de portadores de carga excitados térmicamente. Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio). Los detectores basados ​​en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto se debe a la gran banda prohibida del silicio (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere la refrigeración para reducir el ruido.

Excitación óptica

Tenga en cuenta que la energía de un solo fotón del espectro de luz visible es comparable con estos huecos de banda. Los fotones de longitudes de onda de 700 nm a 400 nm tienen energías de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, también la luz visible puede excitar electrones a la banda de conducción. En realidad, este es el principio de los paneles fotovoltaicos que generan corriente eléctrica.

Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

En el semiconductor, los portadores de carga libres son electrones y huecos de electrones (pares de electrones-huecos). Los electrones y huecos se crean por excitación de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones (a menudo llamado simplemente agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que podría existir en un átomo.o red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que se encargan de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Dado que en un átomo normal o una red cristalina la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga neta positiva en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los huecos.

La conductividad de un semiconductor se puede modelar en términos de la teoría de bandas de los sólidos . El modelo de banda de un semiconductor sugiere que a temperaturas ordinarias existe una posibilidad finita de que los electrones puedan alcanzar la banda de conducción y contribuir a la conducción eléctrica. En el semiconductor, los portadores de carga libre ( pares de electrones y huecos ) se crean mediante la excitación del electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación dejó un hueco en la banda de valencia que se comporta como carga positiva y se crea un par electrón-hueco. Los agujeros a veces pueden ser confusos, ya que no son partículas físicas de la forma en que lo son los electrones, sino que son la ausencia de un electrón en un átomo. Los agujeros pueden moverse de un átomo a otro. en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones.

Excitación electrónica en semiconductores

La energía para la excitación se puede obtener de diferentes formas.

Excitación térmica

Los pares de agujeros de electrones también se generan constantemente a partir de energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa. La excitación térmica no requiere ninguna otra forma de impulso de arranque. Este fenómeno ocurre también a temperatura ambiente. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopantes. Depende en gran medida de la _brecha E (una distancia entre la valencia y la banda de conducción), de modo que para una _brecha E más bajaaumenta un número de portadores de carga excitados térmicamente. Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio). Los detectores basados ​​en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto se debe a la gran banda prohibida del silicio (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere la refrigeración para reducir el ruido.

Excitación óptica

Tenga en cuenta que la energía de un solo fotón del espectro de luz visible es comparable con estos huecos de banda. Los fotones de longitudes de onda de 700 nm a 400 nm tienen energías de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, también la luz visible puede excitar electrones a la banda de conducción. En realidad, este es el principio de los paneles fotovoltaicos que generan corriente eléctrica.

Excitación por radiación ionizante

Los electrones pueden alcanzar la banda de conducción cuando son excitados por radiación ionizante (es decir, deben obtener energía superior a Egap). En general, las partículas con carga pesada transfieren energía principalmente mediante:

• Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
• Ionización. La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para remover un electrón. Esto da como resultado la creación de pares de iones en la materia circundante.

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como fórmula de Bethe . Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas con carga pesada y estas partículas tienen rangos muy cortos.

Además de estas interacciones, las partículas beta también pierden energía mediante un proceso radiativo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung (“radiación de frenado”) .

Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa. Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• Producción de parejas

En todos los casos, una partícula de radiación ionizante deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria. La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones y huecos . Por ejemplo, el grosor típico del detector de silicio es de aproximadamente 300 µm, por lo que el número de pares de agujeros de electrones generados por partículas ionizantes mínimas (MIP) que pasan perpendicularmente a través del detector es de aproximadamente 3,2 x 10 ⁴ . Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de una superficie de 1 cm ² y el mismo espesor. Tenga en cuenta que una muestra de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 1,26 x 10 ²¹ átomos, pero también contiene 7,5 x 10 ¹¹electrones libres y 7,5 x 10 ¹¹ huecos generados constantemente a partir de thermodynamics/what-is-energy-physics/internal-energy-thermal-energy/»>energía térmica . Como puede verse, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona 10 ¹⁵ electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. El enfriamiento del semiconductor es una forma de reducir esta relación.

Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PN para agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de radiación de silicio. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n.

Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En los aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías electrónicas en el que los electrones están normalmente presentes a la temperatura del cero absoluto. Por ejemplo, un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne] 3s ² 3p ² . De estos, cuatro son electrones de valencia., ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.

Nivel Fermi

El término «nivel de Fermi» proviene de las estadísticas de Fermi-Dirac , que describen una distribución de partículas sobre estados de energía en sistemas que consisten en fermiones (electrones) que obedecen al principio de exclusión de Pauli . Dado que no pueden existir en estados de energía idénticos, el nivel de Fermi es el término utilizado para describir la parte superior de la colección de niveles de energía de electrones a thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/absolute-zero-temperature/»>la temperatura del cero absoluto . El nivel de Fermi es la superficie del mar de Fermien el cero absoluto, donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie. En los metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción hipotética que da lugar a electrones de conducción libres. En los semiconductores, la posición del nivel de Fermi está dentro de la banda prohibida, aproximadamente en el medio de la banda prohibida.

Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, esta brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. Para entender qué es un semiconductor, tenemos que definir estos términos.

En la física del estado sólido, la brecha de energía o la brecha de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. Los huecos de las bandas son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E _gap  = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E _gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.

Ver también:

Propiedades de los semiconductores [ / lgc_column]

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción en función de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, esta brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. Para entender qué es un semiconductor, tenemos que definir estos términos.

Propiedades de los semiconductores

Para comprender la diferencia entre metales , semiconductores y aislantes eléctricos , tenemos que definir los siguientes términos de la física del estado sólido:

• Banda de Valencia . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En los aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías electrónicas en el que los electrones están normalmente presentes a la temperatura del cero absoluto. Por ejemplo, un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne] 3s ² 3p ² . De estos, cuatro son electrones de valencia., ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Banda de conducción . En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de conducción es el rango más bajo de estados electrónicos vacíos . En un gráfico de la estructura de la banda electrónica de un material, la banda de valencia se encuentra por debajo del nivel de Fermi, mientras que la banda de conducción se encuentra por encima de él. En los semiconductores, los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son excitados , por ejemplo, por radiación ionizante (es decir, deben obtener energía superior a la _brecha E). Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E _gap  = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E _gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Band Gap . En la física del estado sólido, la brecha de energía o la brecha de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. Los huecos de las bandas son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E _gap  = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E _gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.
• Nivel Fermi . El término «nivel de Fermi» proviene de la estadística de Fermi-Dirac , que describe una distribución de partículas sobre estados de energía en sistemas que consisten en fermiones (electrones) que obedecen al principio de exclusión de Pauli . Dado que no pueden existir en estados de energía idénticos, el nivel de Fermi es el término utilizado para describir la parte superior de la colección de niveles de energía de electrones a thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/absolute-zero-temperature/»>la temperatura del cero absoluto . El nivel de Fermi es la superficie del mar de Fermien el cero absoluto, donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie. En los metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción hipotética que da lugar a electrones de conducción libres. En los semiconductores, la posición del nivel de Fermi está dentro de la banda prohibida, aproximadamente en el medio de la banda prohibida.
• Par de agujeros de electrones . En el semiconductor, los portadores de carga libres son electrones y huecos de electrones (pares de electrones-huecos). Los electrones y huecos se crean por excitación de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones (a menudo llamado simplemente agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que podría existir en un átomo.o red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que se encargan de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Dado que en un átomo normal o una red cristalina la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga neta positiva en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los huecos.

La conductividad de un semiconductor se puede modelar en términos de la teoría de bandas de los sólidos . El modelo de banda de un semiconductor sugiere que a temperaturas ordinarias existe una posibilidad finita de que los electrones puedan alcanzar la banda de conducción y contribuir a la conducción eléctrica. En el semiconductor, los portadores de carga libre (pares de electrones y huecos) se crean mediante la excitación del electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esta excitación dejó un hueco en la banda de valencia que se comporta como carga positiva y se crea un par electrón-hueco. Los agujeros a veces pueden ser confusos, ya que no son partículas físicas de la forma en que lo son los electrones, sino que son la ausencia de un electrón en un átomo. Los agujeros pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones.

Ver también:

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Para comprender la diferencia entre metales , semiconductores y aislantes eléctricos , tenemos que definir los siguientes términos de la física del estado sólido:

Banda de valencia

En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En los aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías electrónicas en el que los electrones están normalmente presentes a la temperatura del cero absoluto. Por ejemplo, un átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica [Ne] 3s ² 3p ² . De estos, cuatro son electrones de valencia., ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.

Banda de conducción

En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de conducción es el rango más bajo de estados electrónicos vacíos . En un gráfico de la estructura de la banda electrónica de un material, la banda de valencia se encuentra por debajo del nivel de Fermi, mientras que la banda de conducción se encuentra por encima de él. En los semiconductores, los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son excitados , por ejemplo, por radiación ionizante (es decir, deben obtener energía superior a la _brecha E). Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E _gap  = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E _gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.

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En física, las  interacciones fundamentales , también conocidas como  fuerzas fundamentales , son interacciones entre partículas elementales que no parecen reducirse a interacciones más básicas. Estas interacciones gobiernan cómo interactúan las partículas y también los objetos macroscópicos y cómo se desintegran ciertas partículas. Generalmente, se pueden clasificar en una de  cuatro fuerzas fundamentales :

Interacción fuerte – Fuerza fuerte

La  interacción fuerte  o  fuerza fuerte  es una de las  cuatro fuerzas fundamentales  e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como  gluones . En general, la  interacción fuerte  es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los  quarks  en  partículas de hadrones como el  protón  y el  neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:

• Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), que actúa  directamente entre quarks . Esta fuerza  mantiene unidos  a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
• Fuerza fuerte residual. La fuerza fuerte residual, también conocida como  fuerza nuclear , es una fuerza de rango muy corto (alrededor de 1 a 3 fm), que actúa para  mantener unidos a los neutrones y protones  en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho de que es el residuo de la fuerte interacción fundamental entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los  mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantiene unido el núcleo.

Interacción débil – Fuerza débil

La  interacción débil  o  fuerza débil  es una de las  cuatro fuerzas fundamentales  e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el  principio de incertidumbre  dicta un rango de unos ^10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón, por lo que la  interacción débil  tiene lugar sólo a distancias subatómicas muy pequeñas.

La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares como  la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera sobre los  quarks  dentro del  neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W ^–  Higgs (se lleva una carga negativa). El W ^–  Higgs luego se desintegra en un  partícula beta  y un  antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso en el que un neutrino interactúa con un neutrón.

Interacción electromagnética: fuerza electromagnética

La  fuerza electromagnética  es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho  más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece a la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman de la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Dado que hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a anularse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.

El  fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones gauge  que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y tienen una unidad de giro. Todos los fotones tienen en común  la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve en c ( la velocidad de la luz: 299 792 458 metros por segundo ).

Las fuerzas entre partículas cargadas eléctricamente estáticas se rigen por la  ley de Coulomb . La ley de Coulomb  se puede utilizar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.

Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, tanto las fuerzas magnéticas como las eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.

La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los  electrones .

Interacción gravitacional – Fuerza gravitacional

La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton afirmó que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Dado que la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la siguiente ecuación.

La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de los nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre los nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10 a ²⁰ metros es de aproximadamente 10 a ²⁴ newton. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 ³⁸ veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que coloca en un bulto contribuye a la gravedad general del bulto. Dado que también es una fuerza de muy largo alcance, es la fuerza dominante a escala macroscópica y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.

Cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza

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1. JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
5. WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
6. GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
7. Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
8. Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
9. Paul Reuss, Física de neutrones. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Física avanzada de reactores:

1. KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
2. KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

Ver también:

Fuerzas fundamentales

Interacción fuerte – Fuerza fuerte

La  interacción fuerte  o  fuerza fuerte  es una de las  cuatro fuerzas fundamentales  e implica el intercambio de los bosones gauge del vector conocidos como  gluones . En general, la  interacción fuerte  es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina a los  quarks  en   partículas de hadrones como el  protón  y el  neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener unido un núcleo contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:

• Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), que actúa  directamente entre quarks . Esta fuerza  mantiene unidos  a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
• Fuerza fuerte residual. La fuerza fuerte residual, también conocida como  fuerza nuclear , es una fuerza de rango muy corto (alrededor de 1 a 3 fm), que actúa para  mantener unidos a los neutrones y protones  en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho de que es el residuo de la fuerte interacción fundamental entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los  mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantiene unido el núcleo.

Interacción débil – Fuerza débil

La  interacción débil  o  fuerza débil  es una de las  cuatro fuerzas fundamentales  e implica el intercambio de los bosones vectoriales intermedios, W y Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el  principio de incertidumbre  dicta un rango de unos ^10-18 metros, que es menos que el diámetro de un protón, por lo que la  interacción débil  tiene lugar sólo a distancias subatómicas muy pequeñas.

La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares como  la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera sobre los  quarks  dentro del  neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W ^–  Higgs (se lleva una carga negativa). El W ^–  Higgs luego se desintegra en un  partícula beta  y un  antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso en el que un neutrino interactúa con un neutrón.

Fuerza fuerte vs fuerza débil

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1. JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
5. WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
6. GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
7. Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
8. Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
9. Paul Reuss, Física de neutrones. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Física avanzada de reactores:

1. KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
2. KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

Ver también:

Fuerza fuerte