Tema 5. Sólidos Inorgánicos. Tipos. Sólidos Metálicos. (
Tutorial
)
5.1. Tipos de sólidos. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.
5.2. Redes cristalinas. Celda unidad. Parámetros de la celda unidad.
5. 3. Sólidos Metálicos. Modelo de empaquetamiento de esferas.
5.4. Empaquetamiento hexagonal compacto y cúbico compacto.
5.5. El enlace metálico. Teoría de bandas.
5.6. Propiedades de los sólidos metálicos. Conductividad eléctrica.
SÓLIDOS INORGÁNICOS
Los gases al enfriarse se transforman en líquidos (cambio de fase). La existencia
de fases condensadas (líquidos y sólidos) prueba la existencia de
fuerzas
intermoleculares
. El origen de estas fuerzas son de origen diverso y son conocidas
como
fuerzas de Van der Waals
. Son siempre
atractivas
y
menos fuertes
que las
derivadas de los enlaces covalentes (fuerzas
intramoleculares
).
No son direccionales
y
disminuyen
rápidamente al aumentar la distancia entre las moléculas.
Por lo general, los líquidos solidifican al disminuir la temperatura y, en
ocasiones, es necesario comprimirlos para lograr un cambio de estado. A una
determinada presión exterior, existe una determinada temperatura conocida como
punto
de fusión
o
solidificación
, por debajo de la cual un líquido se transforma en un sólido
(cambio de fase).
En estado sólido las moléculas tienen los movimientos de translación impedidos
por las fuerzas intermoleculares (no totalmente). Los movimientos de rotación y
vibración siguen produciéndose con ciertas restricciones. Debido a la ausencia de
movimientos transnacionales, los sólidos tienen una forma más o menos rígida y ocupan
un volumen en el espacio.
En condiciones ordinarias de presión y temperatura, los gases y los líquidos
están generalmente constituidos por moléculas (H
2O, CO, CO
2, etc.) o, menos
frecuentemente por átomos (He, Ne, etc.): son sustancias atómicas o moleculares. Desde
ese punto de vista los sólidos son más complejos. En las mismas condiciones de presión
y temperatura, los sólidos pueden estar formados por átomos, iones o moléculas. En
cualquier caso, las unidades constituyentes de los sólidos están fuertemente unidas entre
sí por fuerzas
interatómicas, interiónicas e intermoleculares
.
5.1. TIPOS DE SÓLIDOS
Los sólidos formados por moléculas unidas por fuerzas de Van der Waals se
denominan
sólidos moleculares
(más adelante estudiaremos sus propiedades y
características.
Algunos sólidos son muy diferentes a las moléculas. Es conocido que el Na(s) y
Cl
2(g) reaccionan para dar NaCl(s). En esta reacción el átomo de Na (se oxida) cede un
electrón al cloro electronegativo (se reduce). Los dos iones formados (con configuración
electrónica de gas noble) se atraen electrostáticamente y se agrupan formando un sólido.
Es un ejemplo de
sólidos iónicos
. Estas fuerzas electrostáticas son más intensas que las
de Van der Waals de los sólidos moleculares. Los iones no se encuentran unidos
rígidamente e inmóviles. Sus movimientos de traslación están muy restringidos, sin
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
embargo, no ocurre así con los de rotación o vibración. La dispersión debida a la
agitación térmica se ve superada ampliamente por las fuerzas de atracción (
enlace
iónico
).
Los sólidos iónicos se forman en la reacción de elementos de diferente
electronegatividad. Algunos ejemplos son: la fluorita, CaF
2; blenda, ZnS o sal común,
NaCl.
Tipos de sólidos por su enlace químico
Tipo Unidades de red Propiedades Ejemplos
Covalentes Átomos Duros, baja movilidad, altos puntos de fusión y
ebullición
SiC Diamante SiO2
Iónicos Cationes y aniones Altos puntos de fusión y
ebullición LiF, MgO CsI, NaCl Metálicos Cationes y electrones
intersticiales Conductores eléctricos, maleables, resistentes, altos puntos de fusión y
ebullición
Mg Fe Mo
Moleculares Moléculas Puntos de fusión muy bajos
NH3,
SiH4
Los metales (Cu, Fe, Al, etc.) generalmente son sólidos a temperatura y presión
ordinaria. Las
aleaciones
son combinaciones de varios metales (acero, latón,
bronce,…). En estos casos, los átomos se mantienen unidos por la acción de fuerzas
intensas que se denominan
fuerzas de enlace metálico
. Estas fuerzas son de naturaleza
compleja. Aquí también la dispersión derivada de la agitación atómica se ve
ampliamente superada por las fuerzas del enlace metálico.
Otro tipo de sólidos son los
sólidos covalentes
. El diamante es un ejemplo de
ellos. El diamante es una de las formas alotrópicas del carbono y es un sólido integrado
por átomos de carbono unidos tetraédricamente utilizando 4 orbitales híbridos
sp
3para
formar enlaces covalentes. El resultado es un sólido formado por átomos fuertemente
enlazados entre sí por
fuerzas de enlace covalente
. Aquí también la dispersión derivada
de la agitación térmica se ve superada por las intensas fuerzas de enlace covalente.
Comparación entre los distintos tipos de sólidos
Las fuerzas de enlace iónico, las de enlace metálico y las de enlace covalente son
en general muy fuertes. Por el contrario, las fuerzas intermoleculares de Van der Waals
son relativamente débiles. La competencia entre la agitación térmica, que depende de la
temperatura, y las fuerzas de cohesión determinará el estado físico de cualquier
sustancia en unas determinadas condiciones de presión y temperatura.
En condiciones normales, la debilidad de las fuerzas intermoleculares de Van
der Waals hace que las sustancias moleculares sean, generalmente, gaseosas. Hay
notables excepciones, el agua es líquida a pesar de estar formada por pequeñas
moléculas indicando que las fuerzas intermoleculares presentes no son tan débiles como
podría esperarse.
Los puntos de fusión y ebullición de las sustancias moleculares son, por
lo general, bajos.
Los puntos de fusión y ebullición de los sólidos metálicos, iónicos o covalentes
tienen puntos de fusión y ebullición generalmente altos debido a que la intensidad de
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
sus enlaces es elevada y son sólidos en condiciones normales. Existen excepciones
como el mercurio.
Los puntos de fusión y ebullición de las sustancias iónicas, metálicas y
covalentes son, por lo general, altos.
La clasificación de los sólidos en los cuatro tipos mencionados: moleculares,
iónicos, metálicos y covalentes, es útil a efectos de sistematización del estudio. Sin
embargo, la frontera entre ellos no siempre es fácil de delimitar y existen sólidos
difíciles de encajar en esta clasificación simple.
Sólidos cristalinos
Independientemente del tipo de enlace o fuerzas de
cohesión en los sólidos, los átomos, iones o moléculas no se
agrupan de cualquier forma sino de forma ordenada. Las fuerzas de
cohesión tienden a que las unidades constituyentes de los sólidos
ocupen el mínimo espacio posible, siempre que sea compatible con
las características y propiedades químicas de las mismas.
En condiciones normales de presión y temperatura, el hierro
tiene una variedad polimórfica denominada
α
-hierro. Existen otras
variedades polimórficas del Fe. Cuando el
α
-Fe sólido a partir del
fundido, los átomos empiezan a ordenarse de una manera
determinada formando un germen cristalino que va creciendo
paulatinamente conservando siempre la misma disposición espacial
o geometría hasta generar un cristal de dimensiones apreciables.
Un lingote de hierro o un alambre no es, en sí mismo, un
único cristal. En la actualidad, por metodologías innovadoras, es
posible preparar cristales de grandes dimensiones; pero lo habitual
es trabajar con materiales que son agregados cristalinos.
Cuando se observa al microscopio un lingote de Zn es posible observar
estructuras poligonales yuxtapuestas y bien diferenciadas. Cada una de estas áreas
corresponde a un monocristal con una estructura de átomos de cinc bien ordenados que
se denominan monocristales (en química estructural) o granos (en metalurgia). Estos
monocristales o granos tienen sus caras soldadas asegurando la cohesión del material.
5.2. REDES CRISTALINAS
El conjunto de átomos de Fe o de otro material
ordenados regularmente en las tres direcciones del espacio
es una
red cristalina
de átomos (todo monocristal es una
red de átomos, iones o moléculas). Si las unidades no están
ordenadas de la misma forma se dice que el sólido es
amorfo
(tiene una estructura
vítrea
). Los sólidos amorfos se
preparan enfriando el material fundido a una velocidad
mayor que la de cristalización.
Las redes cristalinas poseen una propiedad
importante. El cristal en su totalidad puede generarse mediante un pequeño módulo o
celda unidad
que se irá repitiendo indefinidamente en las tres direcciones del espacio.
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
La Figura siguiente muestra la celda
unidad del
α
-Fe que al repetirse
indefinidamente en las tres direcciones del
espacio, acabaría por general un
monocristal. Normalmente se recurre a
dibujos esquemáticos que representan
mejor la geometría de la celda unidad y lo
normal es representar la celda unidad como
un cubo con átomos de hierro en los
vértices y en el centro con un tamaño inferior al real para observar mejor la simetría del
poliedro.
Parámetros de la celda unidad
Cada celda unidad se caracteriza por unos parámetros que la
definen. Uno de ellos es el
número de átomos por celda unidad
y se
determina diferenciando aquellos átomos que pertenecen solamente
a una determinada celda de aquellos otros que están compartidos con
celdas vecinas. En la celda anterior, el átomo del centro del cubo
pertenece sólo a esa celda, sin embargo, las celdas de los vértices
pertenecen a ocho celdas vecinas que concurren en dicho vértice y
sólo cuenta como 1/8 de átomo para la celda unidad. Por tanto el
número de átomos de la celda unidad anterior es dos. Los átomos
situados en los centros de las caras pertenecen a dos celdas (cuentan
por ½ átomo por celda) y los situados en el centro de las aristas
pertenecen a cuatro celdas (cuentan por ¼ de átomo por celda).
Otro parámetro que caracteriza a las celdas unidad es el
número de coordinación de un átomo
que se refiere al número de
átomos más próximos que rodean a un determinado átomo. En la
celda unidad del
α
-Fe se aprecia fácilmente que cada átomo está
rodeado por ocho átomos en los vértices del cubo y su número de
coordinación será ocho.
El
factor de empaquetamiento
es el volumen relativo de la
celda unidad ocupado por átomos o iones; es decir, la relación entre
el volumen de los átomos que ocupan una celda unidad
considerándolo como esferas rígidas de radio
r
y el volumen de la celda. En la celda
anterior:
Volumen ocupado por los átomos
3
4
·
2
π
r
3=
Factor de empaquetamiento
33
·
3
·
·
4
·
2
l
r
π
=
En una celda como esta, los átomos de Fe están en
contacto a lo largo de la diagonal del cubo y son
tangentes entre sí, por tanto la diagonal del cubo,
d
, es
igual a cuatro veces el radio de un átomo pero en el cubo
3
l
d
=
, por lo que resulta que:
Factor de empaquetamiento
0,688 3 · · 3 · · 4 · 2 3 3 = =
=
π
π
l r
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
Es decir, el 68% del espacio total de la celda
está ocupado por dos átomos de la misma.
Por último, los parámetros que definen la
geometría de la celda unidad son
las dimensiones de
las aristas: a, b, c
(en las direcciones de los ejes x, y,
z) y los
ángulos de la celda unidad:
α
,
β
,
γ
.
5.3. SÓLIDOS METÁLICOS
Los metales poseen unas propiedades físicas y químicas muy características y
diferenciadas. La mayoría tienen una gran densidad, color y brillo típicos, aunque
existen grandes diferencias entre ellos.
La mayoría son fácilmente mecanizables, buenos conductores del calor y la
electricidad. Estas propiedades también las presentan las aleaciones que son mezclas o
combinaciones de metales. Algunos otros compuestos, óxidos o sulfuros muestran,
también, propiedades eléctricas típicamente metálicas.
“Se denominan sólidos metálicos a todos los materiales que presentan
propiedades metálicas. Estos son, fundamentalmente, los elementos metálicos y las
aleaciones”.
Los metales tienen estructuras cristalinas relativamente simples, ya que están
formados por átomos idénticos. Estos átomos se empaquetan generando estructuras
cristalinas compactas; es decir, ocupando eficazmente el espacio disponible en la red
cristalina.
Modelo de empaquetamiento de esferas.
Los metales tienen la propiedad de adoptar diferentes estructuras cristalinas
dependiendo de la presión y la temperatura. Esta propiedad se conoce como
polimorfismo
. Las diferentes variedades polimórficas se designan con letras griegas, la
forma más estable a temperaturas más bajas es la variedad
α
, la siguiente la
β
, y así
sucesivamente. Esta propiedad también es conocida como alotropía referida a cualquier
elemento químico.
Empaquetamiento simple
En la Figura se muestra el empaquetamiento cúbico simple de esferas iguales y
la celdilla unidad de esta estructura (celda unidad primitiva-P)
El número de esferas por celda
unidad de esta estructura es uno. Hay un
átomo en cada vértice del cubo.
El número de coordinación de cada
átomo es de seis (coordinación octaédrica.
El factor de empaquetamiento es del
52,3%.
Estructura cúbica centrada en el cuerpo (I)
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
Es la estructura que presenta el
α
-Fe, y la de buena parte de los metales de la
Tabla periódica. Es una estructura más
compacta que la cúbica simple.
El número de esferas por celda
unidad de esta estructura es dos.
El número de coordinación de
cada átomo es de ocho (coordinación
cúbica).
El factor de empaquetamiento es del
68%.
bico compacto
.
). No existe
las caras muestran
tructura ampliamente
tilizada por los elementos metálicos.
structura hexagonal compacta
a de esferas iguales y una representación de la celda
res
es de doce.
te utilizada por los elementos metálicos de la tabla
eriódica.
Relación entre las estructuras cúbica y hexagonal
5.4. Empaquetamiento hexagonal compacto y cú
Estructura cúbica compacta
En la Figura se muestra el empaquetamiento cúbico
compacto de esferas idénticas y una representación de la
celda unidad (celda cúbica centrada en las caras
ninguna esfera en el centro del cubo (no cabría).
El número de esferas por celda unidad es de cuatro.
El número de coordinación de cada esfera es 12.
Las esferas situadas sobre
perfectamente esta coordinación.
El factor de ocupación del espacio es del 74%.
La estructura es muy compacta; su factor de
ocupación es el más alto que se da en los empaquetamientos
compactos de esferas. Es una es
u
E
La Figura muestra el empaquetamiento hexagonal
compact
unidad.
La celda unidad es un prisma hexagonal con una esfera
en cada uno de los 12 vértices del prisma, una esfera en cada
una de las bases del cubo y tres esferas situadas
simétricamente en el interior del centro del cubo (en el plano
ecuatorial). Cada una de las tres esferas interiores se localiza
en el hueco, en forma de prisma triangular, delimitado por t
esferas de la base superior y tres esferas de la base inferior.
El número de esferas por celda elemental es de seis.
El número de coordinación de cada esfera
El factor de empaquetamiento es del 74%
.
Es también una estructura muy compacta y
ampliamen
p
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
Las dos estructuras compactas tienen varios puntos en común: su número de
coordinación y su factor de empaquetamiento. En realidad, ambas estructuras están
íntimamente relacionadas entre sí y son casos particulares de los denominados
empaquetamientos compactos de esferas.
En la Figura se muestra una sola capa de esferas
dispuestas de la forma mas compacta posible. Cada esfera
está rodeada por seis esferas de un hexágono regular. Por
otra parte, tres esferas contiguas configuran un triángulo
equilátero dejando un hueco triangular entre las mismas.
Encima de este hueco se puede encajar una cuarta esfera
que formaría, con las otras tres de la base un tetraedro
regular.
En la Figura siguiente se muestra una segunda
capa compacta dispuesta sobre los huecos triangulares de
la primera. Adviértase que sólo la mitad de los huecos
existentes en la primera capa se cubren con esferas de la
segunda. Es la forma más compacta de apilar dos capas
compactas de esferas. Si la primera capa la representamos
por A y la segunda por B, el apilamiento de dos capas se
indica como AB.
Para apilar la tercera capa, sobre la segunda se
puede hacer coincidir con las posiciones de la primera capa (ABA) o colocar las esferas
en la vertical de los huecos triangulares no ocupados de la primera capa (ABC).
Tenemos, por tanto, dos formas diferentes de empaquetamiento compacto en capas
sucesivas (ABAB… y
ABCABC…).
El empaquetamiento tipo
AB es conocido como
empaquetamiento hexagonal
compacto.
El empaquetamiento tipo
ABC es la estructura cúbica
compacta.
La identidad de las
estructura hexagonal compacta con el empaquetamiento tipo AB es fácil de reconocer
tal como se muestra en la Figura siguiente. Las capas compactas son paralelas a las
bases del prisma hexagonal.
No es tan evidente identificar el empaquetamiento compacto ABC con la
estructura cúbico compacta por que las capas de empaquetamiento son perpendiculares
a la diagonal del cubo (véase Figura, las esferas de una misma capa tienen el mismo
color).
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
5.5. El
enlace
metálico. Teoría de bandas.
¿De qué tipo son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de un sólido
metálico?¿Cuál es su origen?. En realidad, las fuerzas del enlace metálico no parecen
tener un origen muy distinto del de las fuerzas del enlace covalente.
En la molécula de H
2, la estabilidad se debe, en la teoría de orbitales
moleculares, a que los electrones de valencia de todos los átomos de la molécula están
deslocalizados sobre todos los núcleos de la misma.
En los metales, la cohesión de la red cristalina se interpreta de una forma muy
similar. Los electrones de valencia de todos y cada uno de los átomos de la red se
encuentran deslocalizados y compartidos por todos los núcleos de la misma. Esta
deslocalización explica satisfactoriamente la conductividad eléctrica de estos sólidos. La
movilidad de los electrones en la red debe ser igualmente probable en cualquier
dirección del espacio pero, si se aplica una diferencia de potencial entre dos puntos del
material, los electrones se desplazarán en el sentido del gradiente de potencial aplicado,
generando una corriente eléctrica.
Un modelo simple e intuitivo, describe a un metal como una red de átomos
metálicos desprovistos de sus electrones de valencia que se encuentran sumergidos en
un “
mar de electrones
”. Este modelo tan simple permite explicar satisfactoriamente las
propiedades de conducción térmica y eléctrica características de estos metales.
La actual teoría del enlace metálico se basa en el llamado
modelo de bandas
que
es una extensión lógica de la teoría de orbitales moleculares.
Teoría de bandas del enlace metálico
En la teoría de orbitales moleculares, estos se construyen mediante la
combinación lineal de orbitales atómicas adecuados de la capa de valencia de todos los
átomos de una molécula. De esa forma
N
orbitales atómicos permiten construir
N
orbitales moleculares linealmente independientes y normalizados, la mitad de ellos
enlazantes y la otra mitad antienlazantes, con una diferencia de energía entre ellos que
depende del solapamiento entre los orbitales atómicos.
Supongamos que tenemos un conjunto de átomos aislados de un metal alcalino
como Li o Na y con ellos se construye una red cristalina. Podemos imaginar que vamos
añadiendo 1, 2, 3, 4, … N átomos del metal para formar el cristal. Cada átomo tiene un
orbital s de valencia con un solo electrón. A medida que aumenta el número de átomos,
aumenta también el número de orbitales moleculares que se pueden construir con los
orbitales atómicos.
Un cristal de N
Aátomos (número de Avogadro: 6,022·10
23) existen el mismo
número de orbitales atómicos de la capa de valencia para construir los orbitales
moleculares. En ese gran conjunto de orbitales moleculares, existe uno más estable y de
mínima energía (el más enlazante) y otro
menos estable, de mayor energía (el más
antienlazante). El intervalo de energía
entre el orbital más enlazante y el menos
enlazante depende del grado de
solapamiento de los orbitales atómicos
de la red. En ese intervalo de energía
existen 6,022·10
23orbitales moleculares
cada uno con su energía propia.
Necesariamente, la diferencia de energía
entre estos orbitales debe ser muy
pequeña. Este conjunto de orbitales moleculares del cristal forma una serie finita y
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
discreta de niveles de energía tan próximos entre sí que forman “casi” un sistema
continuo de energía. Este conjunto de orbitales del cristal se denomina una
banda
o una
banda de orbitales
como se muestra en la Figura.
Un
metal
alcalino
tiene
N orbitales que
pueden alojar 2N electrones y, la banda de
orbitales, quedará semi-llena. El último nivel
ocupado de la banda se conoce como
nivel de
Fermi
. Esta situación se da en el cero
absoluto. A temperaturas superiores, la
energía térmica hace que se pueblen niveles
superiores de energía a expensas de niveles
inferiores. La distribución de electrones es
compleja y depende de la temperatura.
Por la acción de un gradiente de
potencial, los electrones ocupados pueden acceder a niveles de energía superiores lo que
explica la conductividad eléctrica del metal.
banda s
Nivel de Fermi banda
s
banda p
Por otra parte, no hay que olvidar que los metales alcalinos tienen orbitales
np
vacíos en su capa de valencia. Esos orbitales atómicos generan otra banda de 3N niveles
y, que en le caso de los metales alcalinos está solapada con la banda
s
.
Los metales alcalinotérreos presentan un modelo de bandas similar a los
alcalinos. Todos tienen dos electrones en orbitales
s
y, por tanto, la banda
s
estará llena
con 2N electrones. Estos electrones no podrían moverse de no ser por el solapamiento
de la banda
p
que asegura un fácil acceso de los electrones a niveles energéticos
superiores y con ello la conductividad eléctrica característica de estos metales.
El modelo de bandas es aplicable a cualquier tipo de sólidos. Cualquier sólido
puede tener un modelo de bandas muy complicado pero, en todo caso, dos de ellas son
especialmente importantes, la última banda parcial o completamente llena (HOMO) y la
primera vacía (LUMO) de forma semejante a los orbitales moleculares de las moléculas
simples.
Una banda totalmente llena de electrones se denomina
banda de valencia
y una
banda parcialmente llena
banda de conducción
. La posición relativa de ambas bandas
determina el tipo de propiedades físicas del sólido. Generalmente se dice que algunas de
las propiedades físicas de los sólidos dependen de su estructura de bandas, su nivel de
ocupación y de la diferencia de energía entre ellas.
Un sólido tendrá un
comportamiento
metálico
si la última banda que contiene
electrones está parcialmente ocupada o, en el
caso de estar llena, este solapada en cierta
extensión con la primera banda vacía. La
conductividad de los elementos del grupo 11
se explica de forma similar a la de los
alcalinos dado que tienen una configuración
electrónica: (n-1)
d
10n
s
1.
La conductividad eléctrica de los
metales disminuye con la temperatura. Este
hecho contrasta con la mayor movilidad
previsible de los electrones al aumentar su energía térmica. Esto se explica por que en
las redes metálicas los núcleos aumentan su vibración por el aumento de la temperatura
y los electrones en su movimiento se sienten atraídos por los núcleos perjudicando el
mecanismo de conducción.
metal semimetal semiconductor aislante
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
En
los
semimetales
, el límite inferior de la primera banda vacía se encuentra
ligeramente por debajo del límite superior de la banda totalmente llena (existe un ligero
solapamiento). A temperaturas superiores al cero absoluto, la banda superior está algo
poblada y puede haber conducción aunque sus conductividad es inferior a la de los
metales. La conductividad eléctrica es, también, proporcional al número de especies
móviles, los electrones.
En los sólidos
aislantes
no se produce
solapamiento entre la última banda llena (banda de
valencia) y la primera vacía (banda de conducción).
Entre ellas existe una zona de energías prohibidas
para los electrones (banda prohibida). La amplitud de
la banda prohibida es grande y no es posible la
promoción de electrones la banda de valencia a la
banda de conducción. El diamante es un aislante
típico. La estructura de bandas del diamante se
explica por la hibridación
sp
3de sus orbitales
atómicos que se solaparán unos con otros en una red
tridimensional formando una banda
σ
totalmente
ocupada y una banda
σ
*
vacía con una diferencia de
energía apreciable entre ellas.
Los
semiconductores
presentan un modelo de bandas similar a de los aislantes,
sin embargo la amplitud de la banda prohibida es pequeña y a temperaturas superiores al
cero absoluto, la propia energía térmica de los electrones es suficiente para promocionar
a los electrones más energéticos a la banda de conducción. En esas condiciones existen
suficientes electrones en la banda de conducción y “huecos” (positivos) en la banda de
valencia para que estos materiales sean conductores cuando se aplica una diferencia de
potencial.
La conductividad de un
semiconductor
aumenta con la temperatura (ver
gráfico), a la inversa que los metales debido a que la concentración de portadores de
carga aumenta cuando lo hace la temperatura.
El germanio (Ge) es un semiconductor típico con una amplitud de su banda
prohibida de 0,66 eV. A las sustancias puras semiconductoras se les llama
semiconductores intrínsecos
.
El silicio puro (Si) es “
casi
” un semiconductor y presenta una estructura de
bandas similar a la del diamante pero con una banda prohibida, mucho menor, de 1,12
eV. Este elemento puede “
doparse
” con impurezas de arsénico (As) con cinco
electrones de valencia o galio (Ga) con tres electrones de valencia para mejorar sus
propiedades conductoras, en este caso, se
le denomina
semiconductores extrínsecos
.
Si
se
introduce
Ga en un cristal de
Si uno de los enlaces Si–Ga es deficiente
en electrones ya que el Ga sólo tiene tres
electrones de valencia. Estamos
introduciendo huecos positivos en la banda
de valencia. En términos formales, estos huecos forman niveles de energía,
banda
aceptora
, estrecha y vacía situada ligeramente por encima de la banda de valencia
(Figura). Esta banda puede aceptar electrones de la banda de valencia dejando huecos
positivos en la misma (dejando cargados negativamente los átomos de Ga). Los
portadores de carga son, de forma efectiva los huecos positivos en la banda inferior.
Este tipo de semiconductores reciben el nombre de semiconductores tipo
p
.
Si
Si
Si Si
Si
x x
x
x Si
Ga
Si Si
Si
x x
x
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
Si se introduce As en un cristal de Si como impureza
habrá un electrón adicional por cada átomo de dopante. Si los
átomos de As están muy separados sus electrones estarán
localizados y forman una
banda dadora
estrecha a una energía
ligeramente menor que la banda de conducción. La excitación
térmica producirá la transferencia de electrones desde la banda
dadora a la banda de conducción (dejando cargados positivamente los átomos de As) y
los electrones podrán moverse por toda la red. Estos semiconductores son de tipo
n
.
Si
As
Si Si
Si
x x
x
x x
La unión de semiconductores tipo
n
y tipo
p
se utilizan en las células
fotovoltaicas (solares). Una lámina fina de un semiconductor tipo-
p
está en contacto con
un semiconductor tipo-
n
. Normalmente el movimiento de electrones y huecos positivos
a través de la unión de ambos semiconductores es muy limitada, ya que el movimiento
de los electrones conduciría a una separación de la carga: los huecos positivos cruzando
la unión desde el semiconductor tipo-p tendrían que alejarse de los iones inmóviles Ga
–,
y los electrones cruzando desde el semiconductor tipo
n
, tendrían que alejarse de los
iones inmóviles As
+.
Si el semiconductor tipo-p recibe un haz de luz. Los electrones en la banda de
valencia pueden absorber energía y ser promovidos a la banda de conducción creando
huecos positivos en la banda de valencia. Los electrones de conducción, a diferencia de
los huecos positivos pueden cruzar fácilmente la unión de los semiconductores de tip-
n
.
Esto produce un flujo de electrones, una
corriente eléctrica. Los electrones pueden
ser transportados a un circuito externo y a
veces devueltos al semiconductor tipo-p,
donde llenan los huecos positivos.
Además, la absorción de la luz crea más
electrones de conducción y agujeros
positivos, el proceso continúa mientras la
célula solar reciba luz.
Tema 5. Tipos de Sólidos. Sólidos Metálicos
