AtoLa unidad más fundamental de toda la materia es el átomo.

Apuntes De:

Teoría Atómica Básica

Ing. Francisco Cañedo García.

INTRODUCCION

Cualquier estudio general de los dispositivos semiconductores debe partir de la teoría atómica. El grado en que ella ayuda a explicar los fenómenos de los semiconductores justifica al menos un breve vistazo a la estructura atómica, basado en el simple modelo del átomo propuesto por Bohr. Si bien la ciencia moderna señala las limitaciones de este modelo, para un estudio no riguroso como el nuestro podemos apoyarnos en él mientras nos preparamos para aceptar algunas reglas adicionales que gobiernan la estructura atómica y que nos parecerán bastantes extrañas. Se introducirá el concepto de bandas de energía para ayudar a clasificar eléctricamente la materia y para explicar ciertas propiedades eléctricas de ésta.

EL ATOMO DE BOHR

La unidad más fundamental de toda la materia es el átomo. Comenzaremos nuestro estudio de los materiales hasta llegar a los semiconductores analizando el átomo solo, aislado. Seguirá después la investigación de las propiedades de los materiales sólidos que contienen muchos átomos combinados.

Para los propósitos de este estudio, puede considerarse al átomo formado por tres tipos distintos de partículas: neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones, que son las partículas más pesadas, constituyen el núcleo o "corazón" del átomo. Los neutrones no tienen carga eléctrica, mientras que los protones están cargados positivamente. Los electrones, que están cargados negativamente, pesan aproximadamente 1/1 800 de lo que pesa un neutrón o un protón. Un átomo contiene igual cantidad de electrones y protones.

En el modelo de Bohr de un átomo aislado se representa al núcleo (que contiene los protones y neutrones más pesados) como el centro de un sistema solar en miniatura, alrededor del cual giran los electrones del átomo. La figura abajo es una representación simbólica del modelo de Bohr para el hidrógeno, el cual consta de un protón, que constituye el núcleo, y un electrón, que gira alrededor de aquél.

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Figura. Modelo de Bohr para el átomo de hidrogeno

La analogía entre el átomo y el sistema solar es buena en muchos aspectos. Las fuerzas y relaciones entre el núcleo y los electrones que lo orbitan son similares a las que existen entre el Sol y sus planetas. Hay, no obstante, dos diferencias importantes entre los átomos y nuestro sistema solar. La más obvia es la enorme diferencia en tamaño físico: mientras que el sistema solar tiene un diámetro de miles de millones de kilómetros, el diámetro de un átomo típico es del orden de 10-11 centímetro (10 billonésimas de centímetro). La otra diferencia reside en la naturaleza de las fuerzas de atracción: las fuerzas que actúan en nuestro sistema solar son gravitatorias; las fuerzas que existen en el sistema atómico son electrostáticas, pues se rigen por la ley de Coulomb, la cual establece que cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. Las cargas positivas del núcleo ejercen una fuerza electrostática en los electrones orbitales. (Debe hacerse notar que las fuerzas gravitatorias sólo actúan como fuerzas de atracción y nunca como fuerzas de repulsión.) Teniendo en cuenta estas diferencias, puede considerarse en todo caso que el modelo de los dos sistemas es el mismo.

NUMERO ATOMICO Y PESO ATOMICO

Los diferentes tipos de átomos constituyen los diversos elementos. Estos elementos difieren en el número de cada partícula (electrones, protones y neutrones) que constituye sus átomos.

El número atómico de un átomo o elemento está dado ya sea por el número de protones de su núcleo o por el número de electrones que orbitan dicho núcleo. El cobre, por ejemplo, tiene 29 protones en su núcleo (junto con 34 neutrones) y 29 electrones orbitales. Así, su número atómico es 29.

El peso atómico de un átomo o elemento está dado aproximadamente por el número de protones y neutrones existentes en su núcleo, expresado en unidades de masa atómica. El cobre tiene peso atómico de alrededor de 63. Debe advertirse que los protones y los neutrones tienen aproximadamente el mismo peso, mientras que los electrones son mucho más ligeros (1/1 800 del peso de un protón o neutrón).

ORBITAS Y ENERGIA ELECTRONICAS

Según la analogía con nuestro sistema solar, el átomo está formado por un núcleo pesado, alrededor del cual giran uno o más electrones. Para cada átomo aislado, no obstante, hay sólo un determinado número de órbitas disponibles. Estas órbitas disponibles representan niveles de energía para los electrones; esto es, cada órbita corresponde a un determinado valor de energía electrónica total y, además, no pueden existir más de dos electrones en cualquiera de los niveles u órbitas. Esta regla se conoce en física moderna como principio de exclusión de Pauli. Es muy importante notar que estos niveles de energía, u órbitas, existen en niveles discretos para el átomo.

En este punto, es aconsejable introducir la unidad de energía que emplearemos en todo nuestro trabajo sobre la teoría atómica y los semiconductores. El electrón volt se define como aquella cantidad de energía ganada o perdida cuando un electrón se mueve a favor o en contra de una diferencia de potencial de un volt. En términos de joules, una unidad común de energía, un electrón volt (abreviado eV en lo sucesivo) es equivalente a 1.6 x 10-19 joules. Esta es ciertamente una cantidad muy pequeña de energía, si consideramos que un hombre de 90 kilogramos de peso desarrolla casi 300 joules de energía al subir por una escalera. En términos de un electrón, no obstante, ésta es una cantidad enorme, dado que un electrón tiene una masa sumamente pequeña.

Regresando al tema de los niveles atómicos de energía, es necesario comprender la diferencia entre tener un continuo de energía y tener valores discretos de energía disponibles para los electrones. Por ejemplo, si se dispusiera de un continuo de energía, un electrón podría tener cualquier valor de energía entre, digamos, 1 eV y 2 eV. No obstante, la física moderna expresa que sólo son posibles valores discretos de energías electrónicas. Así, un electrón no podrá tener cualquier valor de energía entre los valores antes mencionados, sino sólo ciertos valores permitidos, como 1.000000000000000000001 eV o 1.5 eV, por ejemplo; un electrón no puede existir en cualquier nivel de energía u órbita diferente de uno permitido. Asimismo, no más de dos electrones del mismo átomo pueden tener el mismo nivel de energía u órbita al mismo tiempo.

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