Fundamentos de Materiales Conductores y Semiconductores

8.1. Diferencias fundamentales entre un conductor y un semiconductor

Se diferencian fundamentalmente en el valor de la resistividad, ya que los semiconductores oscilan en un rango más amplio que los conductores, mientras que en los conductores es un valor más específico. También se diferencian por su comportamiento opuesto ante la temperatura: en los conductores, la conductividad disminuye linealmente con el aumento de temperatura, mientras que en los semiconductores, la conductividad aumenta exponencialmente con la temperatura.

8.3. Diferencias entre un semiconductor tipo P y otro tipo N

En los semiconductores extrínsecos, el mecanismo de conducción se debe a los electrones y huecos generados por las modificaciones estructurales atribuibles a la presencia de agentes dopantes. Los extrínsecos son aquellos que contienen impurezas dopantes de dos tipos: tipo N, donadoras de electrones, y tipo P, aceptoras de electrones. El agente conductor principal en un semiconductor extrínseco tipo N es el electrón donado a la banda de conducción.

8.4. Mecanismos de conducción en los semiconductores en función de la temperatura

Alrededor de los cero grados Kelvin se produce una congelación electrónica. A mayor temperatura, su conductividad mejora exponencialmente debido a la mayor excitación de los electrones, que traspasarán con mayor facilidad la barrera energética.

8.5. Interés tecnológico del dopado de materiales semiconductores

En los materiales dopados (semiconductores extrínsecos) se puede alcanzar la conductividad deseada. El dopado se realiza para lograr materiales con un rango de conductividad deseado y constante.

8.6. Efecto de la temperatura y de la acritud sobre la conductividad

En los materiales conductores, la acritud, por un lado, modifica la red cristalina y disminuye la conductividad. Sin embargo, por otra parte, la deformación favorece la movilidad de los electrones y hace al material mucho más resistente. A pesar de que pueda perder algo de conductividad en algunas ocasiones, y dependiendo de la aplicación que se le quiera dar al material, la deformación puede resultar más útil.

8.7. Etapas del envejecimiento: Evolución de la resistencia mecánica y de la conductividad eléctrica

• En la homogeneización: se pierde resistencia y conductividad.
• En el temple: se gana resistencia y se pierde conductividad.
• En la maduración: se gana resistencia y conductividad.
• En el sobreenvejecimiento: se pierde resistencia y se gana conductividad.

8.8. Cómo se encuentran y distribuyen las bandas en diferentes materiales

a) Material conductor

En los conductores se observan dos situaciones: que la banda no está completamente llena, quedan niveles vacíos, o bien, existen dos bandas solapadas, con lo que el electrón puede pasar de una a otra. La parte ocupada hace referencia a la banda de valencia, mientras que la vacía se denomina banda de conducción. Los electrones que acceden a la banda de conducción son los agentes activos de la conducción ante la presencia de un campo eléctrico exterior.

b) Material semiconductor

En los semiconductores intrínsecos, el mecanismo de conducción se debe a los electrones y huecos generados térmicamente. En la banda de conducción se alojan los electrones conductores, mientras que los huecos conductores se sitúan en la de valencia. La conductividad es prácticamente nula a 0 K porque no existen electrones libres en la B.C. ni huecos en la B.V., ya que la energía térmica disponible para su generación también es nula.

c) Material aislante

Los materiales aislantes poseen la banda de valencia llena y la energía necesaria para que los electrones pasen a la banda de conducción es muy grande, por lo que los electrones no tienen movilidad y el material no conduce la electricidad.

8.9. Etapas del recocido contra acritud: Evolución de la resistencia mecánica y de la conductividad eléctrica

La primera etapa es la recuperación, la segunda la recristalización y la tercera el engrosamiento del grano. En cada una de las tres fases se va perdiendo progresivamente resistencia mecánica y se va adquiriendo mayor conductividad.

8.10. Tipos de endurecimiento aplicados a conductores de cobre y sus limitaciones

Los mecanismos de endurecimiento en general disminuyen la conductividad. En el caso concreto del cobre, los métodos utilizados para endurecerlo son el endurecimiento por aleación (cobre-plata) y por precipitación (cobre-berilio).

8.11. Diseño de una experiencia para determinar la resistividad eléctrica de metales

1. Elaborar probetas, p. ej., de Cu (O.F.H.C.), y determinar S0 (a x b ≈ 00 mm²).
2. Marcar con dos granetazos separados la longitud L0 (180 mm), entre los que se va a medir la caída de potencial.
3. Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo.
4. Conectar la fuente seleccionando la intensidad deseada (p. ej., desde 1 A).
5. Medir la caída de potencial con el polímetro. Para ello, situar las puntas de prueba sobre los puntos de granete que definen L0.
6. Realizada la lectura, desconectar. Repetir el procedimiento desde el paso d) para una nueva intensidad (desde 1 A hasta 10 A).
7. Tabulación y tratamiento de los datos experimentales para el cálculo de la resistividad.

8.12. Parámetros que definen el comportamiento conductor en metales

Temperatura, aleación, precipitación de segundas fases y acritud.

8.15. Diseño de una experiencia para determinar la resistividad eléctrica de semiconductores

Para determinar la resistividad en materiales semiconductores es necesario el uso de equipo sofisticado debido a la dificultad de realizar dicho ensayo. En el laboratorio se realizará la experiencia de observar al microscopio los materiales semiconductores, como por ejemplo un transistor planar.

8.16. Factores de diseño y cálculo necesarios para la obtención de elementos conductores y resistores semiconductores

Los factores necesarios son la resistencia al paso de corriente eléctrica del elemento, que, según la ley de Ohm, depende de factores como la longitud y la sección, los cuales corresponden al dimensionamiento de la pieza.

8.18. ¿Cambiarían los resultados de los cálculos anteriores si el material seleccionado fuera Si-P manteniendo el resto de parámetros constante?

Sí, porque al ser un semiconductor tipo P, lo que aumentaría sería la concentración de huecos (P) en lugar de electrones (N), y disminuiría la conductividad.

8.19. Principales diferencias en los mecanismos de conducción del Ge dopado con Sb y el Ge dopado con Al

La principal diferencia es que el Germanio dopado con Antimonio (Sb) es un semiconductor extrínseco de tipo N, mientras que el Germanio dopado con Aluminio (Al) es de tipo P.