Física del Estado Sólido en la Electrónica. PARTE I - INTRODUCCIÓN

in stem-espanol •  16 days ago

Saludos y Feliz año nuevo 2019 mis estimados amigos.

El presente es el primero de una serie de posts que tienen como propósito introducirnos al mundo de la Electrónica, desde el punto de vista de la Física del estado sólido.


Fuente de imagen fondo

En este post estaré compartiendo algunos conceptos imprescindibles para la comprensión de los fenómenos físicos en los dispositivos electrónicos. Sin embargo, antes de empezar por favor ve este breve audiovisual.


Sobre: Electrones y huecos

La noción de las partículas subatómicas clasifica al "electrón" en el grupo de los Leptones, quienes a su vez se catalogan como partículas elementales. Esta partícula fue descubierta en 1897 por J. J. Tompson en un experimento de rayos de catódicos, donde describía al átomo como un pastel de pasas, considerando a los electrones como pasas.


Figura 1. Físico Inglés J. J. Tomson. Fuente: Wiki, Autores: HW Wilson y
JA Hammerton. | Edición: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

Los electrones tienen una masa de 9.109×10−31 Kg y una carga eléctrica de -1.602×10−19 C. Estos tienen Spin de 1/2 por lo que son considerados como fermiones. Los fermiones por su parte obedecen a la estadística Fermi-Dirac.

En los semiconductores, los electrones se concentran en la banda de valencia aproximadamente a 0 °K. Bajo excitaciones externas (como temperatura, campo eléctrico o radiación electromagnética), los electrones adquieren energía, superando la brecha energética y alcanzando un lugar en la banda de conducción. La concentración de los electrones en la banda de conducción es un número más importante que la concentración total de electrones de valencia, ya que mediante este se describen los fenómenos de transporte (figura 2).

Diapositiva1.gif
Figura 2. Diagrama de bandas de un cristal semiconductor. Animación del cambio en la concentración
electrónica por la Generación del par electrón-hueco. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

En efecto, generalmente hay muchos niveles desocupados en la banda de conducción, entonces los electrones en la banda de conducción pueden cambiar de energía (y adquirir velocidad) en un campo eléctrico por ejemplo, produciendo una corriente eléctrica. Si más de los estados electrónicos permanecen ocupados cuando el campo eléctrico es aplicado a la muestra, entonces estos no contribuyen a la corriente eléctrica.

Para describir esta contribución se introdujo el concepto del "hueco". Supongamos una linea de danzarinas clásicas (figura 3). Al comenzar el baile hay un lugar vacío a la izquierda del escenario, y las bailarinas saltan, una por una hacia el espacio vacío de la izquierda. Podemos interpretar de esta analogía, que en el escenario, las bailarinas se mueven hacia la izquierda, pero el espacio vacío se mueve hacia la derecha.

Diapositiva1.gif
Figura 3. Animación de danzarinas como analogía al concepto del "hueco" en semiconductores.
Fuente 1: Pixabay, Fuente 2: Pixabay. GiF por: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

Esta analogía hace alusión al concepto del hueco, donde el traslado del espacio vacío representa al movimiento del hueco y, el baile de las danzarinas, al movimiento de los electrones en la red cristalina. De esta manera, podemos definir al "hueco" como una cuasi-partícula de carga positiva y de masa específica. Es decir, es una partícula que representa la ausencia de un electrón y que puede aportar para la conducción eléctrica de un material si su concentración es mayor que la de los electrones. Esta ausencia del electrón puede moverse en dirección contraria al electrón, tal como lo muestra mas adelante la figura 4.


Fenómenos de transporte

Generación y Recombinación de Portadores

Como se mencionó anteriormente, hay electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia de un semiconductor, a temperaturas superiores al 0 °K. Además, un electrón en la banda de conducción puede moverse libremente en el cristal (electrón libre). También puede "saltar" a un hueco en la red del enlace covalente. Al hacer esto, el electrón libera energía. Un fenómeno de este tipo en el que tanto un electrón libre como un hueco desaparecen se denomina fenómeno de Recombinación. La figura muestra el salto de un electrón libre a la posición vacante del enlace atómico en una red bidimensional de átomos de Germanio.

Diapositiva1.gif
Figura 4. Animación de la Recombinación Electrón-Hueco en una red cristalina bidimensional formada por
átomos de Germanio. Un átomo ionizado y un electrón libre. GiF por: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

Por otro lado , un electrón puede liberarse de un enlace covalente si se pone a disposición suficiente energía. Al hacer esto, "salta" de la banda de valencia a la banda de conducción y queda libre para moverse en el cristal. También se crea un hueco en este proceso, que se denomina Generación de un par electrón-hueco (Figura 2).

Fenómenos de transporte en Semiconductores Extrínsecos

Para aquellos que están familiarizados con el tema saben que existen dos tipos de cristales semiconductores. Estos se clasifican de acuerdo a su grado de pureza como: intrínsecos y extrínsecos. Para conocer más de esto por favor vísita este post [ver aquí] y continúa la lectura.

Es imprescindible conocer que los semiconductores intrínsecos pueden ser elementos y/o compuestos que idealmente tienen un alto grado de pureza. Sin embargo, en la realidad, los materiales y equipos empleados para sintetizar un cristal semiconductor de alta pureza son directamente proporcionales a los altos costos. Es por esto, que fabricar un material de esta índole es netamente ideal.

Las impurezas pueden producirse a través de forma natural o mediante dopajes controlados. Por ejemplo, en nuestro post anterior aprendimos que cuando se sintetiza grafito podemos presenciar dentro de su estructura pequeñas proporciones de nanotubos de carbono.

De esta manera, podemos describir a los semiconductores de acuerdo a la cantidad de impurezas como: Los que tienen dopajes moderados (controlados) y los que son altamente dopados (Degenerados).

No obstante, los Semiconductores Extrínsecos se definen como cristales intencionalmente dopados de manera moderada para modificar sus propiedades intrínsecas. A su vez, estos se clasifican de acuerdo a su naturaleza estequiométrica en Tipo N y Tipo P.

Diapositiva1.gif
Figura 5. Animación del movimiento del hueco en una red cristalina bidimensional formada por
átomos de Germanio dopados con un átomo de Boro. GiF por: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

La figura 5 nos muestra el comportamiento de una porción de material Tipo P. Donde la ausencia del cuarto electrón en el átomo de Boro da origen al hueco. Cualquier electrón adverso puede ocupar la posición vacante sin mucho esfuerzo. Esto replica al fenómeno de Recombinación. Si reproducimos esto a gran escala, observaremos que las probabilidades de que los electrones se trasladen aumenta, debido al aumento en la densidad de huecos. En este tipo de semiconductor la concentración de portadores mayoritarios es de huecos, y la corriente eléctrica producida es debida a los huecos.

Si pudiéramos medir el flujo de corriente eléctrica, debido a una excitación externa como temperatura, entre dos puntos de una muestra tipo P, entonces la señal de corriente eléctrica aumentaría positivamente al aumentar la temperatura. Este experimento es conocido como "medida del tipo de conductividad eléctrica" [ver aquí].

Diapositiva1.gif
Figura 6. Animación del movimiento del electrón debido a un campo eléctrico en una red cristalina
bidimensional de átomos de Germanio dopados con un átomo de Boro. GiF por: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.

Para el caso del Semiconductor tipo N, la corriente eléctrica es debida a los electrones (figura 6). El quinto electrón proporcionado por el átomo de Fósforo está sujeto al mismo por un fuerza de intensidad débil. Cuando se le aplica una fuerza externa al material el electrón no enlazado será el primero en liberarse. En presencia de un campo eléctrico, el electrón se moverá en dirección contraria al campo eléctrico para conducir corriente eléctrica. Esto da origen al signo negativo de la señal eléctrica.

En el experimento del "tipo de conductividad". La muestra tipo N presenta una disminución brusca en la conductividad cuando se aumenta la temperatura. Puedes verlo [aquí].


En el segundo de esta serie de posts les estaré compartiendo los fundamentos básicos y la historia del Díodo de unión P-N.

Licenciado en Física Daiver E. Juarez R, @djredimi2.


Todas las imágenes empleadas en el audiovisual, son de libre acceso, etiquetadas para su reutilización y sus fuentes provienen de wikimedia, pixabay, flickr, pexels y publicdomainpictures.

REFERENCIAS CONSULTADAS

  • Mckelvey, John P. (1976). Física del estado sólido y de semiconductores. México. Editorial Limusa. P.13-18 y P.269-284.
  • Colinge, Jean-Pierre and Colinge, Cynthia. (2000). Physics of semiconductor devices. California, USA. Kluwer Academic Publishers.
  • Shur, Michael. (1990). Physics of semiconductor devices. New Jersey, USA. Editorial Prentice Hall Series in Solid State Physical Electronics. Editor Nick Holonyak, Jr.
  • Smith, William F. (2006). "Fundamentos de la ciencia e ingeníeria de materiales". México. Editorial McGRAW-HILL Interamericana. 4ta edicion. Traducido por Gabriel Cázares y Pedro González.


@djredimi2 Te invita a formar parte de la sub-comunidad #stem-espanol, compartiendo temas de interés en Ciencia, Tecnología, Ingeniería o Matemáticas (STEM) en idioma Español. Si estás interesado en unirte al grupo de stem-espanol, te invito cordialmente al chat oficial registrándote en discord y accediendo luego a este enlace.


Conoce todo sobre el logo visitando este enlace.

Para obtener más información sobre STEM, visita al canal @stem-espanol y conócenos a través del artículo "Reporte Semanal".

Authors get paid when people like you upvote their post.
If you enjoyed what you read here, create your account today and start earning FREE STEEM!
Sort Order:  

Interesante artículo es bueno tener especialistas en esta era de la física. El contenido me recuerda a unos de los primeros artículos que publicó nuestro manager Carlos sobre teoría básica de los semiconductores. Todos los elementos o en este caso semiconductores tiene diferentes propiedades cierto? pero pueden ser tano tipo p como tipo n, tengo entendido que con estos materiales se fabrican los paneles solares.

·

Las propiedades de los semiconductores pueden varíar debido a muchos factores. Supongamos este ejemplo: tenemos un material que fue sintetizado bajo unas ciertas condiciones en Venezuela; el mismo material, pero sintetizado en china bajo otras condiciones (presión, temperatura, luz, etc), presenta diferentes propiedades en vista de que el semiconductor es considerado como un ente que reacciona antes las excitaciones externas como luz, temperatura, etc.

La naturaleza del tipo de semiconductor determina, en parte, sus posibles aplicaciones. Por ejemplo los paneles solares presenta Heterouniones. Esto quiere decir que es un dispositivo formado por multicapas de semiconductores tipo N, Tipo P y algunos metales.

Saludos @anaestrada12

·
·

Guaoo bastante difícil de comprender tu respuesta.

Pero lo que tratas de decir es que se necesita un material tipo n y otro tipo p para poder fabricar un panel solar?

¿ Qué propiedades debe tener un material para poder ser candidato, en este caso en la fabricación de una panel solar?...Entiendo que debe pasar por diferentes procesos para luego ser aplicable.

Corrígeme por favor si mi formulación es incorrecta estimado @djredimi2.

·
·
·

Para fabricar una estructura de panel solar, se necesitan varias capas de materiales. Generalmente se emplea un material tipo P y otro tipo N.

La sección del material tipo N esta conectada al electrodo negativo de la salida para la corriente eléctrica. Está también protegida por una cubierta antireflectante para retener a la mayoría de los rayos solares.


La sección del material tipo P, tiene un placa metálica (de baja resistencia) funcionando como electrodo positivo para la corriente eléctrica.

Quienes absorben la energía solar son los materiales semiconductores. Una de sus características claves es el valor de sus Brechas de Energía. La radiación solar tiene un valor de energía entre 1 y 1,5 eV. Esto quiere decir que para que el material absorba eficientemente la energía solar, necesita tener un valor de brecha de energía cercano a este rango.

Espero poder aclarar tu duda :)

·
·
·
·

Generalmente se usa el Silicio. Pero, el Dr Marín @iamphysical, estudia al CuInTe2 con la finalidad de crear celdas solares con ese material, porque tiene una brecha de aproximadamente 1eV.

·
·
·
·
·

El CuInTe2 es un compuesto candidato para ser aplicado en celdas solares. Es un compuesto tipo p, pero estudios que hemos realizado se ha demostrado que se puede hacer cambiar su tipo de conductividad a n. Obviamente no puedo agregar mas sobre este tema porque está en desarrollo pero creo que a futuro tendremos paneles solares hecha a base de CuInTe2. Y por supuesto acotar que es un material que tiene una capacidad de absorber radiación solar ya que su brecha de energía es de 1ev.

Saludos @djredimi2 y @anaestrada12 muy buena esta conversación :D

·
·
·
·

Esta vez entendí a la perfección tu explicación. Puedo observar que el área de los semiconductores es sumamente importante para el desarrollo de avances tecnológicos. Espero que ustedes los científicos dedicados a esta área puedan seguir trabajando e incorporando nuevos dispositivos que ayuden a mejorar la calidad de vida de las personas. Saludos

Buen post, @djredimi2! Las imágenes animadas lo hacen más didáctico. Es recomendado para estudiantes de esta disciplina y personas que tengan los conocimientos previos para entender. Te haré llegar unas sugerencias. Saludos.

·

Gracias @eniolw. Saludos

Saludos, muy divertida y original tu publicación. A pesar de que la electrónica y los semiconductores no son definitivamente mi área de estudio. Considero que usaste una técnica muy didáctica para explicar conceptos básicos de esta especialidad. Me encantó la primera foto me recordó un viejo radio de mi abuela (supongo que no tiene nada que ver con una radio) jajajaja ¡Felicitaciones!

·

Muchas gracias Dra. Que agradable su comentario. Eso quiere decir que estoy mejorando. La primera foto hace alusión a la historia de la electrónica.

Saludos @djredimi2. Muy buen uso de las imágenes, sumados a las ejemplificaciones realmente hacen más didáctico y entendible el contenido para los que inician el estudio de área e incluso de entender los conceptos para los que no pertenecemos a ella.

·

Muchas gracias @yuvelasquez. Encantado de su comentario. Es primordial la simplificación del contenido para que todos los lectores podamos comprender el tema. Saludos

¡Felicitaciones!



Estás participando para optar a la mención especial que se efectuará el domingo 6 de enero del 2019 a las 8:00 pm (hora de Venezuela), gracias a la cual el autor del artículo seleccionado recibirá la cantidad de 1 STEEM transferida a su cuenta.

Te participamos que puedes invertir en el PROYECTO ENTROPÍA mediante tu delegación de Steem Power y así comenzar a recibir ganancias de forma semanal transferidas automáticamente a tu monedero todos los lunes. Entra aquí para más información sobre cómo invertir en ENTROPÍA.

Contáctanos en Discord: https://discord.gg/hkCjFeb

Apoya al trail de @Entropia y así podrás ganar recompensas de curación de forma automática. Entra aquí para más información sobre nuestro trail.

Puedes consultar el reporte diario de curación visitando @entropia.

Atentamente

El equipo de curación del PROYECTO ENTROPÍA

·

Gracias!! :)





This post has been voted on by the SteemSTEM curation team and voting trail in collaboration with @utopian-io and @curie.

If you appreciate the work we are doing then consider voting all three projects for witness by selecting stem.witness, utopian-io and curie!

For additional information please join us on the SteemSTEM discord and to get to know the rest of the community!

·

Thanks dear bot!

Congratulations @djredimi2! You have completed the following achievement on the Steem blockchain and have been rewarded with new badge(s) :

You received more than 6000 upvotes. Your next target is to reach 7000 upvotes.

Click here to view your Board
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word STOP

Support SteemitBoard's project! Vote for its witness and get one more award!

Saludos estimado djredimi2. Muy didáctica la explicación de electrones y huecos, no soy conocedor de la materia por lo que me quedo esta duda ¿por qué al definir "hueco" se considera que tiene una masa específica?

·

Hola @emiliomoron. Gracias por tu comentario. Es interesante tu pregunta, tu respuesta esta directamente relacionada con la teoría cuántica, donde todas las partículas con carga tienen asociada una masa específica. La carga de los huecos es igual que la de los electrones, pero positiva. Entonces, la masa de los huecos es igual a la masa de los electrones.

Saludos

·
·

Gracias por aclararme amigo. Parece algo antagónico decir que el hueco tiene masa jeje. Saludos!

Hi @djredimi2!

Your post was upvoted by Utopian.io in cooperation with @steemstem - supporting knowledge, innovation and technological advancement on the Steem Blockchain.

Contribute to Open Source with utopian.io

Learn how to contribute on our website and join the new open source economy.

Want to chat? Join the Utopian Community on Discord https://discord.gg/h52nFrV

Saludos @djredimi2 , buena presentación, pero siempre tengo dudas de algo. Para que estudias un semiconductor a cero kelvin. Osea que aplicación tiene eso?

·

Saludos @germanmontero. En los materiales, el 0 °K (cero grados Kelvin o cero absoluto) es la referencia, también es el estado fundamental. Los materiales se clasifican en Conductores (metáles), Aisladores, Semiconductores y Semi-metáles. Cada uno de ellos tiene un comportamiento particular al aumentar partiendo desde el cero absoluto. La explicación es que idealmente se considera que todas las partículas a esa temperatura están quietas o en reposo (por la entropía) y se pueden observar todos estos fenómenos físicos.

Gracias por su pregunta.

Hola @djredimi2, muy bonito tu aporte, altamente educativo, estoy fascinada con las animaciones que adjuntaste, sin duda le dan un carácter formativo de alto nivel agradable para la comprensión de estudiantes de Física, educadores en Física y carreras afines. Asimismo, es un excelente aporte científico facilitado desde una perspectiva detallada y de fácil comprensión para los lectores, lo cual me parece excepcional en tanto que conocer la naturaleza electrónica de la materia es de vital importancia para la comprensión de fenómenos de estudio en diversas áreas científicas, en particular la Física Cuántica. Saludos cordiales!!

·

Gracias por su comentario estimada @reinaseq

Congratulations @djredimi2! You have completed the following achievement on the Steem blockchain and have been rewarded with new badge(s) :

You got more than 50 replies. Your next target is to reach 100 replies.

Click here to view your Board
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word STOP

Support SteemitBoard's project! Vote for its witness and get one more award!

Saludos @djredemi2, felicitaciones buen post, aún cuando no es mi área de formación, te comento que la incorporación de herramientas audiovisuales en tus trabajos facilitan de una otra manera la captación del contenido que socializas, el uso de videos convierte el artículo en un punte didáctico para los interesados en esta área del conocimiento científico.

Saludos, sigamos creciendo.

Hola @djredimi2, excelente primer post del año. Recorde una de las practicas del laboratorio de física donde utilizamos InAs como semiconductor y pude observar algunos de sus efectos, y aprender del dopaje PNP o NPN. Me parece muy útil esta publicación para refrescar esos conceptos que siempre son necesario en el día a día de la ciencia, muchas gracias por compartir y feliz año.

Una estructuración y desarrollo bastante entendible el de tu artículo @djredimi2, sobre todo por el hecho de la complejidad del tema, la aplicación que tiene la física del estado sólido, tomando en cuenta algunos elementos que tocas en la publicación tiene gran importancia en la electrónica, y si tomamos en cuenta que en la actualidad todo la tecnología existente toca la electrónica entonces el primordial abordar este tipo de aprendizaje. Saludos y gracias por darnos a conocer tan buen artículo.