Propiedades Eléctricas de los Materiales: Conductores, Aislantes y Semiconductores

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Conductividad Eléctrica y Teoría de Bandas

Las propiedades eléctricas de los materiales se explican fundamentalmente a través del comportamiento de sus electrones (e⁻). Los electrones ocupan distintos niveles de energía, y cada nivel, que forma una "banda", solo puede contener un máximo de dos electrones (principio de exclusión de Pauli).

Conductividad

La conductividad es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de la corriente eléctrica. Esta propiedad se ve afectada por varios factores:

• Temperatura (T): Un aumento en la temperatura provoca una mayor vibración de los átomos, lo que reduce la movilidad de los electrones y, por tanto, disminuye la conductividad. Este fenómeno incrementa la resistividad, que es la oposición al paso de los electrones.
• Defectos en la estructura: Las imperfecciones en la red cristalina del material pueden dispersar a los electrones, lo que también reduce su movilidad y, en consecuencia, la conducción eléctrica.

Teoría de Bandas

La estructura electrónica de los sólidos se describe mediante la teoría de bandas, que define dos bandas principales:

• Banda de Valencia (BV): Contiene los electrones más débilmente ligados al núcleo, los cuales están compartidos por todo el sólido.
• Banda de Conducción (BC): Es una banda de energía superior a la que los electrones pueden saltar. Una vez en esta banda, los electrones pueden transferirse de un lado a otro del material, generando una corriente eléctrica.

Cuando a un electrón de la banda de valencia se le suministra suficiente energía (térmica, lumínica, etc.), este puede saltar a la banda de conducción.

Clasificación de Materiales según su Conductividad

Conductores

En los materiales conductores, como los metales, la banda de valencia y la banda de conducción están muy cercanas o incluso solapadas. Esto permite que los electrones salten fácilmente a la banda de conducción a cualquier temperatura por encima del cero absoluto (0 Kelvin), facilitando el flujo de corriente.

Aislantes

En los materiales aislantes (o no conductores), las bandas de valencia y conducción están separadas por una gran diferencia de energía (conocida como banda prohibida o gap energético). Se necesita una cantidad muy alta de energía para que un electrón salte a la banda de conducción, por lo que, en condiciones normales, no conducen la electricidad. En presencia de campos electrostáticos, no hay un flujo neto de electrones.

Semiconductores

Los semiconductores tienen una banda prohibida de tamaño intermedio. Pueden comportarse como aislantes a bajas temperaturas y como conductores a temperaturas más altas, ya que la energía térmica es suficiente para que algunos electrones salten a la banda de conducción. A mayor temperatura, mayor conductividad.

Semiconductores Intrínsecos

Son materiales puros cuyo comportamiento eléctrico es inherente a su estructura. La excitación de electrones a la banda de conducción (BC) deja tras de sí "huecos" con carga positiva en la banda de valencia (BV), que también contribuyen a la conducción.

Semiconductores Extrínsecos

Se crean al agregar impurezas (proceso de dopaje) a los semiconductores intrínsecos para modificar sus propiedades eléctricas.

• Tipo N (Donante): Se introducen impurezas que aportan electrones adicionales. Estos electrones se sitúan en niveles de energía cercanos a la banda de conducción, disminuyendo la barrera energética necesaria para la conducción.
• Tipo P (Aceptor): Se introducen impurezas que crean "huecos" (aceptadores de electrones) en niveles de energía cercanos a la banda de valencia, lo que también disminuye la barrera para la conducción al facilitar el movimiento de los huecos.

Fenómenos Eléctricos Especiales

Superconductividad

La superconductividad es un fenómeno en el que la resistividad eléctrica de un material se hace cero por debajo de una cierta temperatura. Esto permite que la corriente fluya indefinidamente sin pérdida de energía. Aunque originalmente se observó cerca del cero absoluto (0 K), algunos materiales presentan esta propiedad a temperaturas superiores. La transición del estado de conducción normal al de superconducción ocurre a una temperatura crítica (T_c), que a su vez depende del campo magnético aplicado.

Ferroelectricidad

La ferroelectricidad es una propiedad de ciertos materiales dieléctricos que presentan una polarización eléctrica espontánea incluso en ausencia de un campo eléctrico externo.

Materiales Dieléctricos y Polarización

Los materiales dieléctricos se caracterizan por su alta resistividad y una baja densidad de portadores de carga. Su principal característica es la capacidad de polarizarse en presencia de un campo eléctrico.

• Dipolo permanente: Moléculas con una separación de carga inherente (pares iónicos fijos) que responden a la variación de voltaje.
• Dipolo inducido: Se forma por el desplazamiento de cargas dentro de un átomo o molécula debido a un campo eléctrico externo.

La polarización puede ser estática (DC) o dinámica (AC). En la polarización AC, la red de dipolos oscila con el campo eléctrico a frecuencias que pueden alcanzar de 10¹² a 10¹³ Hz.

Tipos de Polarización

Existen varios mecanismos de polarización:

• Polarización Electrónica: El campo eléctrico (E) desplaza el centro de la nube electrónica con respecto al núcleo. Este tipo de polarización puede inducirse en todos los átomos.
• Polarización Iónica: Ocurre solo en materiales iónicos. El campo eléctrico desplaza a los cationes (iones positivos) y aniones (iones negativos) en direcciones opuestas.
• Polarización por Orientación: Se da únicamente en materiales con dipolos permanentes. El campo eléctrico origina una rotación de estos dipolos para alinearlos. Este movimiento genera fuerzas de fricción y disipación de calor. Las vibraciones térmicas del material se oponen a este alineamiento.