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Clasificación de los sólidos en base a su conductividad electrica.

Conductores

    Los metales se caracterizan por su alta conductividad eléctrica. Considerese, por ejemplo, el magnesio metálico. La configuración electrónica del Mg es [Ne]3s2, de modo que cada átomo tienen dos electrones de Valencia en el orbitales 3s. En un metal los átomos se encuentran en empacados muy cerca unos de otros de tal forma que los niveles energéticos de cada átomo de magnesio ser afectados por los de los átomos vecinos, lo cual da lugar a un traslape de orbitales. Estos orbitales moleculares tienen energías tan parecidas que se describe en forma más adecuada como una "banda" (como se muestra en la figura).

    Este conjunto de niveles tan cercanos en energía se conoce como banda de valencia, como se muestran la figura de abajo. La parte superior de los niveles energéticos corresponde a los orbitales moleculares deslocalizados vacíos, que se forman por el traslape de orbitales 3p. Este conjunto de niveles vacíos cercanos energéticamente se llama banda de conducción.

    Se puede imaginar al magnesio metálico como un conjunto de iones positivos inmerso en un mar de electrones de Valencia deslozalizados (como se ve en la figura de abajo). La gran fuerza de cohesión resultante de la deslocalización es en parte responsable de la fortaleza evidente en la mayoría de los metales. En virtud de que las bandas de Valencia y de conducción son adyacentes, se requiere sólo una cantidad despreciable de energía para promover un electrón de Valencia a la banda de conducción, donde adquiere libertad para moverse a través de todo el metal, dado que la banda de conducción carece de electrones. Esta libertad de movimiento explica el hecho de que los metales sean capaces de conducir energía eléctrica, esto es, que sean buenos conductores.

    ¿Por qué las sustancias como la madera o el vidrio no conducen la electricidad? Una de las figuras de arriba da una respuesta a esta pregunta. Básicamente, la conducir eléctrica de un sólido depende del espaciamiento y el estado de ocupación de las bandas de energía. Otros metales se parecen al magnesio en el hecho de que sus bandas de Valencia son adyacentes a las de conducción y, por lo tanto, estos metales actúan fácilmente como conductores. En un aislante la brecha entre las bandas de conducción y de Valencia es considerablemente mayor en un metal: en consecuencia, se requiere mucho mayor energía para excitar a un electrón de la banda de conducción. La carencia de esta energía impide la libre movilidad de los electrones. El vidrio, la madera y el hule son aislantes comunes.

Semiconductores

    Numerosos elementos, en especial el silicio(Si) y germanio (Ge) del grupo 4A, o grupo 14, tienen propiedades intermedias entre los metales y los no metales, por ello se denominan elementos semiconductores. La brecha energética entre las bandas llenas y las vacías en estos sólidos es mucho menor que en el caso de los aislantes como podemos ver en la figura de arriba. Si se suministra energía necesaria para excitar electrones de la banda de Valencia a la de conducción, el sólido se convierte en un conductor. Nótese que este comportamiento es opuesto al de los metales. La capacidad metal para conducir electricidad disminuye al aumentar la temperatura, ya que se acentúa la vibración de los átomos a mayores temperatura y esto queda romper el flujo de electrones.

    La capacidad de un semiconductor para producir electricidad también se puede incrementar mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertas impurezas al elemento (proceso denominado dopado). Considérese lo que ocurre cuando se añaden huellas de boro o fósforo al silicio sólido (en estado dopado, casi cinco de cada millón de átomos de silicio se sustituyen por átomos de B o P). La estructura de silicio sólido es similar a la del diamante; cada átomo de silicio está unido por enlaces covalentes a otros cuatro átomos de Si. El fósforo ([Ne] 3s3p3) y un electrón de Valencia más que el silicio ([Ne] 3s3p2), de modo que sobra un electrón de Valencia, después de que cuatro de ellos se gustan para formar los cuatro enlaces covalentes con el silicio (como se muestra en la figura de abajo).

    Este electrón extra se puede desligar del átomo de fósforo mediante la aplicación de un voltaje a través del sólido. Entonces este electrón libre se puede mover a través del estructura y funcionar como un electrón de conducción. Las impurezas este tipo se conocen como impurezas donadoras, dado que proporcionan electrones de conducción. Los sólidos que contienen impurezas donadoras se llaman semiconductores tipo-n, en donde "n" proviene de negativo (la carga del electrón "extra").

    Si se añade boro al silicio ocurre el efecto contrario. Una átomo de boro tiene tres electrones de Valencia (1s22s22p1). Así, por cada átomo de boro en el cristal de silicio existe un hueco en el orbital de unión. Es posible excitar un electrón de Valencia de una átomo vecino de silicio a este orbital vacío. El hueco generado en el átomo de silicio puede entonces el cubierto por electrón de otro átomo de silicio vecino a aquél, y así sucesivamente. Desde modo, los electrones se puede mover a través del cristal en una dirección, mientras que los huecos o "agujeros positivos" se mueven en la dirección opuesta, y el sólido se convierte en un conductor eléctrico. Los semiconductores que contienen impurezas aceptoras se llaman semiconductores tipo-p, en donde la p viene de positivo. Las impurezas deficientes en electrones se llaman el soporte cursiva.

    En ambos tipos semiconductores se reduce eficazmente la brecha energética entre las bandas de Valencia y de conducción, de modo que sólo se requiere una pequeña cantidad de energía para excitar los electrones. Comúnmente, la conductividad de un semiconductor se incrementa en un factor de 100,000 por la presencia de átomos de impurezas.

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