Tema 20 Propiedades eléctricas de los materiales. Las propiedades eléctricas miden la respuesta del material cuando se le aplica un campo eléctrico. Conductividad eléctrica

R

V i = V ; R= resistencia del material eléctrica R La resistencia eléctrica depende de la geometría del material, y para muchos materiales es independiente de la corriente eléctrica. l A

R=ρl A

ρ= resistividad del material. Es una propiedad del material (es independiente de la geometría). Muchas veces, la naturaleza eléctrica del material se define por la conductividad eléctrica (σ) σ=1 ρ La conductividad es la facilidad con la cual, el material es capaz de conducir una corriente eléctrica. Los materiales sólidos poseen un rango muy amplio de conductividades eléctricas. 179

Dependiendo de la facilidad con que pueden conducir la corriente eléctrica pueden clasificarse en: •

conductores

•

semiconductores

•

aislantes

Una corriente eléctrica resulta del movimiento de partículas cargadas eléctricamente en repuesta a fuerzas que actúan sobre ellas desde un campo eléctrico externo. La corriente puede ser causada por: •

Flujo de electrones (conducción electrónica)

•

Flujo neto de iones cargados. Se da en los materiales iónicos y se llama conducción iónica.

Banda de energía en los sólidos

Los electrones de un átomo aislado poseen niveles de energía. (niveles 1,2,3, subniveles s, p, d, f)

180

Suponga que un material sólido consiste en N átomos separados unos de los otros. Los electrones de cada átomo ocupan su correspondiente nivel de energía.

A medida los átomos se juntan para formar al material, sus electrones son perturbados por los electrones y los núcleos de los átomos adyacentes. Debido a esta influencia, cada nivel se divide en una serie de estados de energía muy cercanos formando la banda de energía de los electrones. La separación de estos estados depende de la distancia de separación entre los átomos y comienza con los niveles de energía más lejanos al núcleo.

Banda de energía 2s (12 estados)

Nivel 2s

Energía Banda de energía 1s (12 estados)

Esquema para N = 12 átomos Energía

Nivel 1s

distancia interatómica

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Banda de energía

Band gap Banda de energía

Distancia Interatómica

La interacción entre los átomos forma bandas de energía donde se encuentran los electrones.

Distancia de equilibrio ... entre los átomos del material.

Las propiedades eléctricas de un material sólido resultan de esta estructura de bandas electrónicas. La banda que contiene los electrones de más alta energía, o electrones de valencia, se llama banda de valencia. La siguiente banda más energética es la banda de conducción. La mayoría de las veces está banda está vacía. Existen cuatro tipos de estructuras electrónicas a cero grados Kelvin. 1.

Banda de conducción vacía Band gap

Estructura característica de metales como el cobre Estados

vacíos Ef

Banda de valencia Estados llenos 182

2.

Banda de conducción vacía

Ef Banda de valencia llena

3.

Ef

Banda de conducción vacía Band gap Banda de valencia completa

4.

Banda de conducción vacía Band gap Banda de valencia completa

Estructura de metales como el magnesio. La banda de valencia está llena, pero se traslapa con la banda de conducción, la cual sin el traslape estaría totalmente vacía.

Estructura característica de los aislantes. La banda de valencia está completa y separada de la banda de conducción por un espacio grande (>2ev)

Estructura de los semiconductores. Es igual a la de los aislantes con la diferencia que el banda gap es pequeño. (