Clasificación de los materiales

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CLASIFICACIÓN DE LOS 
MATERIALES POR SU 
CONDUCTIVIDAD
Mg. Ing. Ana María Echenique
CONCEPTO DE ELECTRÓNICA
La electrónica, es una rama de la física que tiene un campo de aplicación muy
amplio
Es el campo de la Bioingeniería, donde se estudia el diseño y la aplicación de los
dispositivos biomédicos, la electrónica tiene su aplicación considerando que el
funcionamiento de estos depende del flujo de electrones en los dispositivos
electrónicos. Ya sea para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento y
control de la información. Esta información puede consistir en datos, voz, sonido,
imágenes, señales, variables de procesos biológicos, entre otros. Por este motivo es
de interés para comprender el funcionamiento de los dispositivos electrónicos,
conocer los materiales con los que se fabrican los dispositivos electrónicos
ELECTRON
Telecomunicaciones
Computación
Equipamiento Médico
OBJETIVOS:
Reconocer los diferentes tipos de 
materiales, según su estructura 
atómica 
Describir la estructura del cristal de Si
Conocer los tipos de materiales 
semiconductores
Describir los tipos de portadores de 
carga y clases de impurezas
CLASIFICACIÓN
Todos los elementos que tienen 
propiedades físicas y químicas semejantes 
se encuentran agrupados en la tabla 
periódica. Desde el punto de vista eléctrico, 
todos los cuerpos simples o compuestos 
formados por esos elementos se pueden 
dividir en tres amplias categorías: 
Conductores
Aislantes
Semiconductores
MATERIALES 
CONDUCTORES
En la categoría “conductores” se encuentran agrupados 
todos los metales que en mayor o menor medida 
conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica 
por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por 
orden de importancia para uso en la distribución de la 
energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como 
para la fabricación de componentes de todo tipo como 
dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se 
encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag) y el oro 
(Au).
PROPIEDADES DE LOS 
MATERIALES CONDUCTORES
APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES
APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES
APLICACIONES DE METALES CONDUCTORES
MATERIALES AISLANTES
Aislantes ó Dieléctricos son materiales que no 
conducen la electricidad por lo que puede ser 
usado como aislante eléctrico. A diferencia de los 
cuerpos metálicos buenos conductores de la 
corriente eléctrica, existen otros como el aire, la 
porcelana, la mica, la ebonita, las resinas 
sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta 
resistencia a su paso. Esos materiales se conocen 
como aislantes o dieléctricos.
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Los "semiconductores" constituyen elementos que 
poseen características intermedias entre los cuerpos 
conductores y los aislantes. Sin embargo, bajo 
determinadas condiciones esos mismos elementos 
permiten la circulación de la corriente eléctrica.
El Silicio (Si)y el Germanio (Ge) son elementos 
semiconductores utilizados para fabricar 
componentes electrónicos (diodos detectores y 
rectificadores de corriente, transistores, circuitos 
integrados y microprocesadores).
Un semiconductor, es un material que tiene las propiedades 
eléctricas de un conductor y de un aislante, como por 
ejemplo el Germanio y el Silicio (metaloides), este ultimo el 
más utilizado en la actualidad para la fabricación de 
componentes electrónicos. 
Después del oxigeno, el silicio
es el elemento mas 
abundante en la corteza 
terrestre en:
Arena, cuarzo, granito, arcilla, 
mica, etc.
Silicio
-Fabricación de componentes 
electrónicos
-Construcción de ladrillos, vidrios 
y otros materiales
- Silicona para implantes médicos
- Fertilizante en la agricultura
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
RESISTIVIDAD PARA DIFERENTES 
MATERIALES
Los valores de la resistividad nos permiten clasificar los 
materiales como conductores, semiconductores y aislantes
Conductor semiconductor aislante
ρ = 10–6 Ohm/cm ρ = 50 Ohm/cm ρ = 1012 Ohm/cm
Cobre Germanio mica
ρ = 50000 Ohm/cm
Silicio
ESTRUCTURA ATÓMICA DEL GE Y SI
El Ge, posee 32 electrones, mientras que el 
Si posee 14. Ambos tiene 4 electrones de 
valencia 
NIVELES DE ENERGÍA 
En la estructura atómica aislada existen niveles discretos de
energía (individuales) asociados con cada electrón que orbita. De
hecho cada material tendrá su propio conjunto permitido de
niveles de energía para los electrones en su estructura atómica.
Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo mayor
es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado su
átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón
en la estructura atómica.
Eg = 1.1 eV (Si)
Eg = 0.67 eV (Ge)
Eg = 1.41 eV (ArGa)
Eg
Eg – energía de desdoblamiento. Es la energía necesaria para llevar un electrón de la 
banda de valencia a la banda de conducción. 
1 eV Es una unidad de energía para que un electrón pase por una diferencia de 1v 
Equivale a 1,602176565 × 10-19 Joule
Eg ≅ 10 eV Eg = 0
A 0ºK (-273ºC), tanto los aislantes como los
semiconductores no conducen, ya que ningún
electrón tiene energía suficiente para pasar de
la banda de valencia a la de conducción.
A 300ºK (25ºC), algunos electrones de los
semiconductores alcanzan este nivel.
Al aumentar la temperatura aumenta la
conducción en los semiconductores (al
contrario que en los metales). Mientras que
los conductores tienen electrones libres a 0ºK.
ESTRUCTURA CRISTALINA
Cuando el Ge o SI solidifican lo hacen 
en forma de una red cristalina tipo 
diamante. 
Representación tridimensional Representación plana
Un átomo de Si al centro de la 
celda base......
Y 4 átomos iguales alrededor 
de éste ligados a él 
compartiendo electrones entre 
sí.
Los electrones periféricos de 
cada átomo de Si forman 
enlaces covalentes con los 
átomos vecinos. Permitiendo 
que el átomo del centro 
quede con 8 electrones en su 
última órbita.
Enlaces
covalentes
Veamos cómo se estructura un cristal de 
Silicio.....
CLASIFICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES
Semiconductores Intrínsecos
Semiconductores Extrínsecos
Material Tipo N
Material Tipo P
No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la
banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.
Semiconductor Intrínseco
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
-
-
-
-
-
-
- - - -
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - -
Representación plana del Germanio a 0º K
•Hay 1 enlace roto por cada 1,7·109 átomos.
•Un electrón “libre” y una carga “+” por cada 
enlace roto.
Situación del Ge a 300ºK
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+
Situación del Ge a 300º K
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+Generación
-
-
+
Recombinación
Generación
Siempre se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces.
La vida media de un electrón puede ser del orden de milisegundos o microsegundos.
-
++
-
-
Recombinación
Generación
Muy
importante
Situación del Ge a 300ºK
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
-
-
-
-
- - - -
- - - -
- -
-
Sentido de desplazamiento 
del electrón
Sentido de desplazamiento 
del hueco
•El electrón libre, con carga negativa, se mueve.
•Y la carga ”+” también se desplaza y de manera contraria a los electrones
+-
+
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 
-
-
-
-
-
-
-
-
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
+
Aplicación de un campo externo 
•El electrón libre, con carga negativa, se mueve por acción del campo.
•Y la carga ”+” también se desplaza.
- - --
Ge Ge Ge Ge
Ge Ge Ge Ge
- - - - -
- - - - -
- - -
- - -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
- - - -
-
-
+
+-
+
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 
-
-
-
-
-
-
-
Aplicación de un campo externo 
-
+
-
-
•La carga “+” se mueve también. Es un nuevo portador de carga, 
llamado “hueco”.
Muy
importante
huecos electrones
Existe corrienteeléctrica debida a los dos portadores de carga:
P= pg es la densidad de corriente de huecos.
N= ng es la densidad de corriente de electrones.
Movimiento de cargas por un campo eléctrico 
exterior 
Ε +
 +
 +
 +
 +
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados 
“Semiconductores Intrínsecos”, en los que:
•No hay ninguna impureza en la red cristalina.
•Hay igual número de electrones que de huecos N = P
Ge: N = 2·1013 portadores/cm3 
Si: N = 1010 portadores/cm3 
(a temperatura ambiente) 
¿Pueden modificarse estos valores?
¿Puede desequilibrarse el número de electrones y de 
huecos?
La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos
Semiconductores Intrínsecos
A 0ºK, habría un electrón 
adicional ligado al átomo de 
As 
Tiene 5 electrones en la última 
capa
Semiconductores Extrínsecos (Tipo N) 
Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V (Ej: Antimonio (Sb)
Arsénico (As), Fósforo (P)) 
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
Si Si Si
Si Si Si Si
- - - -
As
-
-
-1
2
3
4
5 0ºK
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
Si Si Si
Si Si Si Si
- - - -
As
-
-
-1
2
3
4
5 0ºK
Semiconductores Extrínsecos (Tipo N)
300ºK
+
5-
A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de As están
desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica).
El As es un donador y en el Si hay más electrones que huecos. Es un
semiconductor tipo N.
-
En
er
gí
a
Eg=0,67eV
4 electr./atm.
.
0 electr./atm.
EAs=0,039eV
-
-
-
-
0ºK
El As genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda
de conducción. La energía necesaria para alcanzar la banda de conducción se
consigue a la temperatura ambiente, y es la energía de ionización del átomo de
As. De esta manera cede un portador de carga negativa (electrón)
Semiconductores Extrínsecos (Tipo N)
Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor 
extrínseco Tipo N
N= ng+ n Siendo ng=pg y n>>ng luego N>>P
P= pg
1 electr./atm. 300ºK
A 0ºK, habría una “falta de 
electrón” adicional ligado al 
átomo de In 
Tiene 3 electrones en la última 
capa
Semiconductores Extrínsecos (Tipo P)
Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III (Boro (B), Indio (In), 
Galio (Ga))
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
Si Si Si
Si Si Si Si
- - - -
In
-1
2
3
0ºK
A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de In están cubiertas con un
electrón procedente de un átomo de Si, en el que se genera un hueco. El ln es un
aceptador y en el Si hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.
Semiconductores Extrínsecos (Tipo P)
- - - - -
- - - - -
- - -
- -
-
-
- -
-
-
-
- - - -
Si Si Si
Si Si Si Si
- - - -
In-
-1
2
3
0ºK300ºK
+
-
4 (extra)
En
er
gí
a
Eg=0,67eV
3 electr./atom.
0 huecos/atom.
EIn=0,067eV
-
- --
0ºK
Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor 
extrínseco Tipo P
Semiconductores Extrínsecos (Tipo P) 
El In genera un estado permitido en la banda prohibida, muy cerca de la banda de
valencia. La energía necesaria para que un electrón alcance este estado permitido se
consigue a la temperatura ambiente, generando un hueco en la banda de valencia. Esta
energía es la de ionización del átomo de In, cediendo un portador de carga positivo
(hueco)
N= ng Siendo ng=pg y p>>pg luego P>>N
P= pg+ p 
+
4 electr./atom.
300ºK
--
Semiconductores intrínsecos:
•Igual número de huecos y de electrones
Semiconductores extrínsecos:
Tipo N:
•Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios)
•Impurezas del grupo V (donador)
•Todos los átomos de donador ionizados “+”.
•Tipo P:
•Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios)
•Impurezas del grupo III (aceptador)
•Todos los átomos de aceptador ionizados “-”.
Resumen
Muy
importante
	Clasificación de los materiales por su conductiVidad
	Número de diapositiva 2
	Número de diapositiva 3
	Número de diapositiva 4
	Número de diapositiva 5
	Número de diapositiva 6
	Número de diapositiva 7
	Número de diapositiva 8
	Número de diapositiva 9
	Número de diapositiva 10
	Número de diapositiva 11
	Número de diapositiva 12
	Número de diapositiva 13
	Número de diapositiva 14
	Resistividad para diferentes materiales
	Número de diapositiva 16
	Número de diapositiva 17
	Número de diapositiva 18
	Número de diapositiva 19
	Número de diapositiva 20
	Número de diapositiva 21
	Número de diapositiva 22
	Número de diapositiva 23
	Número de diapositiva 24
	Número de diapositiva 25
	Número de diapositiva 26
	Número de diapositiva 27
	Número de diapositiva 28
	Número de diapositiva 29
	Número de diapositiva 30
	Número de diapositiva 31
	Número de diapositiva 32
	Número de diapositiva 33
	Número de diapositiva 34
	Número de diapositiva 35
	Número de diapositiva 36
	Número de diapositiva 37
	Número de diapositiva 38
	Número de diapositiva 39