Propiedades Eléctricas de los Materiales: Conductores, Semiconductores y Aislantes

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Conceptos básicos: Los materiales pueden ser conductores, semiconductores o aislantes.

• Corriente eléctrica: Resultado del movimiento de partículas eléctricamente cargadas en respuesta a fuerzas que actúan sobre ellas debido a la acción de un campo eléctrico aplicado externamente.
• Conducción electrónica: La corriente se establece a partir del flujo de electrones.
• Conducción iónica: La corriente se establece a partir del movimiento de iones cargados.
• Conductividad: Indica la facilidad con que un material es capaz de conducir una corriente eléctrica.
• Carácter conductor de los materiales: Se produce cuando algún electrón es capaz de pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. Cuanto menor sea la diferencia de energía entre estas bandas, más conductor será el material.
• Ley de Ohm: La corriente que pasa a través de un material viene dada por I=V/R. La conductividad es la inversa de la resistividad y relaciona la densidad de corriente (J) con la intensidad del campo eléctrico (E): J=σ·E.
• Movilidad de los electrones: En un metal conductor se puede decir que existe una nube de electrones alrededor de los núcleos. El campo genera una fuerza que hace que se aceleren los electrones.
• Velocidad de arrastre: Velocidad media de un electrón en la dirección de la fuerza generada por el campo. La conductividad depende del número de electrones y de su movilidad.

Resistividad Eléctrica de los Materiales

• Ley de Matthiesen: La resistividad de un material tiene dos componentes: componente térmica y componente residual.

Semiconductores

Son aquellos materiales cuya estructura electrónica de bandas consiste en una banda de valencia llena y una de conducción vacía, separadas ambas por un intervalo prohibido de energía menor de 2 eV. Hay dos tipos:

• Intrínsecos: Su comportamiento eléctrico se basa en la estructura electrónica inherente al material puro. Una excitación eléctrica o térmica hace que un electrón pase de la banda de valencia a la banda de conducción, lo que genera un hueco. La conducción se produce por el movimiento de los electrones y de los huecos. Al aumentar la temperatura, aumenta el número de electrones activados y, por tanto, aumenta la conductividad.
• Extrínsecos: Son soluciones sólidas sustitucionales muy diluidas en las que los átomos del soluto tienen características de valencia distintas a las del disolvente. El comportamiento eléctrico está determinado por las impurezas, que introducen electrones o huecos.

Semiconductores Tipo N

Los átomos de las impurezas tienen mayor número de electrones de valencia que los átomos que constituyen la red. Se comportan como átomos donadores de electrones (por ejemplo, P, As, Sb). Al aplicar un campo eléctrico (E), el fósforo (P) se ioniza: P+ + e-. El electrón ocupa un nivel ligeramente inferior a la banda de conducción.

Semiconductores Tipo P

Los átomos de impurezas tienen menos número de electrones de valencia que los átomos que constituyen la red. Se comportan como átomos aceptores. Al aplicar un campo eléctrico (E), el boro (B) se ioniza: B+ + hueco. El hueco ocupa un nivel ligeramente superior a la banda de valencia.

Materiales Aislantes y Dieléctricos

Sustancias cuya conductividad eléctrica es tan baja que el paso de corriente a su través es despreciable. Se denominan también dieléctricos para indicar que se oponen al paso de la corriente eléctrica. Presentan un intervalo de energías prohibidas muy ancho y poseen alta resistividad. El proceso principal característico de cualquier dieléctrico es la polarización: desplazamiento limitado de las cargas o la orientación de las moléculas dipolares por la acción de un campo eléctrico. Se caracterizan por la constante dieléctrica, la rigidez y las pérdidas de energía.

• Efecto de la polarización: A temperaturas inferiores a una temperatura crítica, en un dieléctrico en presencia de un campo eléctrico, los aniones se pueden desplazar a la parte positiva del campo y los cationes a la parte negativa del campo, lo que genera un dipolo eléctrico.
• Propiedades de los dieléctricos:
  • Constante dieléctrica (capacidad del condensador).
  • Rigidez dieléctrica (campo máximo que el dieléctrico puede mantener sin romperse).
  • Factor de pérdida de un dieléctrico (cantidad de energía eléctrica perdida en forma de calor por un condensador).
  • Materiales ferroeléctricos.
  • Materiales piezoeléctricos.