CONDUCCION ELECTRICA EN METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

CONDUCCION ELECTRICA EN METALES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

Los buenos conductores eléctricos contienen una alta densidad de portadores de carga libre, y la densidad de portadores de carga libres en aislantes es casi cero. En esta sección se explican los mecanismos de conducción en estas tres clases de materiales en términos de un modelo basado en bandas de energía.

METALES

Si un material puede ser un buen conductor eléctrico, los portadores de carga del material deberán estar libres de moverse en respuesta a un campo eléctrico aplicado. Considere los electrones de un metal como los portadores de carga. El movimiento de los electrones, en respuesta a un campo eléctrico, representa un aumento en la energía del sistema (la red metalica y los electrones libres) correspondiente a la energía cinetica adicional de los electrones en movimiento. Debido a eso cuando se aplica un campo eléctrico a un conductor, los electrones deben moverse hacia arriba aun estado de energía mas alto, disponible de un diagrama de nivel de energía. Por lo tanto, los electrones de un metal que experimente solo un pequeño campo eléctrico aplicado están libres para moverse porque hay numerosos niveles vacios disponibles cerca de los niveles de energía ocupados. El modelo de metales según la teoría de banda muestra que los metales son excelentes conductores eléctricos.

AISLANTES

Ahora considere las dos bandas de energía mas externas de un material en el que la banda inferior baja esta llena de electrones y la banda mas alta esta vacia. La nada mas baja de denomina banda de valencia, y la banda vacia superior se conoce como banda de conducción. (La banda de conducción es la que esta parcialmente llena en un metal.) Es común llamar brecha de energía del material a la separación de energía entre las bandas de valencia y de conducción.

Suponga que un material tiene un abrecha de energía relativamente grande, por ejemplo, unos 5eV.A 300 K (temperatura ambiente) KbT=0.025Ev , que es mucho menor que la brecha de enerrgia. A estas temperaturas, la distribución de fermi-dirac pronostica que hay muy pocos electrones térmicamente excitados dentro de la banda de conducción. No existen estados disponibles que se encuentren cerca en energía y dentro de la cual los electrones puedan moverse hacia arriba, para explicar la energía cinetica extra asociada con el movimiento por el material en respuesta aun campo eléctrico. En consecuencia, los electrones no se mueven y el material es un aislante . Aun cuando un aislante tiene muchos estados vacantes en su banda de conducción que puedan acepatr electrones, dichos estados están separados de los estados llenos por una gran brecha de energía. Solo unos pocos electrones ocupan tales estados, de modo que la conductividad eléctrica global de los aislantes es muy pequeña.

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores tienes el mismo tipo de estructura de banda que un aislante, pero la brecha de energía es mucho menor, del orden 1 eV. Por que el nivel de fermi esta situado cerca de la mitad de la brecha para un semiconductor y Eg es pequeña, un considerable numero de electrones son térmicamente excitados de la banda de valencia la banda de conducción. Debido a que hay muchos niveles vacios arriba de los niveles térmicamente llenos en la banda de conducción, una pequeña diferencia de potencial aplicada puede elevar fácilmente la energía d elos electrones de la banda de conduccion , lo cual resulta en una corriente moderada.

A T=0 K, todos los electrones en estos materiales están en la banda de valencia y no hay energía que los excite a cruzar la banda d eenergia. Por lo tanto , los semiconductore son malos conductores a temperaturas muy bajas. Porque la excitación térmica de los electrones al otro lado de la brecha angosta es mas probable a temperaturas mas altas, la conductividad de los semiconductores aumenta rápidamente

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