La propiedad eléctrica se refiere a la respuesta de un material a un campo eléctrico aplicado. Una de las principales características de los materiales es su capacidad (o falta de capacidad) para conducir corriente eléctrica. De hecho, los materiales se clasifican según esta propiedad, es decir, se dividen en conductores, semiconductores y no conductores.
Conductividad eléctrica de materiales
La conductividad eléctrica y su inversa, la resistividad eléctrica, es una propiedad fundamental de un material que cuantifica cómo conduce el flujo de corriente eléctrica. La conductividad eléctrica o conductancia específica es el recíproco de la resistividad eléctrica. El símbolo de la conductividad eléctrica es κ (kappa) y también σ (sigma) o γ (gamma). La unidad SI de conductividad eléctrica es siemens por metro (S/m). Una conductividad alta indica un material que permite fácilmente el flujo de corriente eléctrica. Tenga en cuenta que la resistividad eléctrica no es lo mismo que la resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica se expresa en ohmios. Mientras que la resistividad es una propiedad material, la resistencia es propiedad de un objeto.
Conductores – Semiconductores – Resistencias
Las sustancias en las que puede fluir la electricidad se denominan conductores. Los conductores están hechos de materiales de alta conductividad como metales, en particular cobre y aluminio.
Los aisladores, por otro lado, están hechos de una amplia variedad de materiales dependiendo de factores como la resistencia deseada.
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 de un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción.
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 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] 3s23p2. 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 Egap). Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (Egap = 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 (Egap = 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 de 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 (Egap = 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 (Egap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.
- 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 la temperatura del cero absoluto. El nivel de Fermi es la superficie del mar de Fermi en 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.
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