Conductores, Semiconductores y Aislantes

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA Practica 2 CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES García Ponds Gabriel Salazar Gómez Ana Karen  Alva Alva Víctor Víctor Jesús Peñaloza Plata Gonzalo Escutia Corona Julio Cesar  Páez Osuna Ricardo

Equipo 4

LABORATORIO DE ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CTG07

Consideraciones Teóricas

CONDUCTORES Conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Si establecemos la analogía con una tubería que contenga líquido, el conductor sería la tubería y el líquido el medio que permite el movimiento de las cargas. Cuando se aplica una diferencia de potencial a los extremos de un trozo de metal, se establece de inmediato un flujo de corriente, pues los electrones o cargas eléctricas de los átomos que forman las moléculas del metal, comienzan a moverse de inmediato empujados por la presión que sobre ellos ejerce la tensión o voltaje. Esa presión procedente de una fuente de fuerza electromotriz (FEM) cualquiera (batería, generador, etc.) es la que hace posible que se establezca un flujo de corriente eléctrica a través del metal. SEMICONDUCTORES Los semiconductores son de gran importancia en las tecnologías de: microelectrónica, comunicaciones, comunicaciones ópticas y sensores. Los elementos químicos semiconductores más comunes son el Selenio (poco usado actualmente), el Germanio y el Silicio que son los utilizados para la fabricación de componentes electrónicos sólidos. En los semiconductores existe una fracción útil de electrones de valencia que pueden brincar la brecha energética o banda prohibida. El electrón es un portador negativo en la banda de conducción, mientras que el hoyo electrónico dejado por el electrón es un portador positivo en la banda de valencia. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS.-Son semiconductores intrínsecos aquellos cristales

que permanecen puros. La diferencia entre los semiconductores y aislantes radica en el tamaño de la brechas energéticas. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS.- Estos dependen de las impurezas (dopante) que contenga el sólido. Las impurezas alteran las características semiconductoras de los materiales introduciendo electrones extras u hoyos extras. Estos pueden se extrínsecos tipo n o p.

AISLANTE Un material aislante es aquel que, debido a que los electrones de sus átomos están fuertemente unidos a sus núcleos, prácticamente no permite sus desplazamientos y, por ende, el paso de la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de tensión entre dos puntos del mismo. Material no conductor que, por lo tanto, no deja pasar la electricidad.

Tabla de los materiales TIPO DE SOLIDO

Iónico Covalente Metálico Polimérico Molecular Mixto

Cloruro de sodio Grafito Cobre Poliestireno Azúcar Tepalcate

COMPUESTO Sulfato de cobre Cuarzo Fierro Polietileno Naftalina Cemento

Alumbre Moneda Hule Hielo Vidrio

Registro de las lecturas de resistencia de los materiales Material

Resistencia (Ohms Ω)

Conductividad

Clasificación

Cemento blanco Cuarzo Naftalina Alumbre Cemento gris Sulfato de cobre Azúcar Vidrio Hule Moneda Grafito Ámbar Cobre Acero galvanizado

3.4 1014 0 3.6 3.2 ----------------* 0 1017 0 3.6 4.5 1024 0.7 0.4

Mala Mala

Aislante Aislante Aislante Conductor Aislante -------------------* Aislante Aislante Aislante Conductor Semiconductor Aislante Conductor Conductor

Buena Mala ------------------* Mala Mala Mala Buena Regular Mala Buena Buena

Registro de lecturas de corriente

Material

Diodo Moneda Alumbre Madera

Lecturas de corriente 1° lectura Polaridad invertida

-.7 3.6 3.6 0

7.2 -5.6 -5.6 0

Resistencia (Ohms Ω)

.72 2.8 1.68 infinito

Cuestionario

1. Para un cristal iónico explique: a) ¿Cómo es la estructura? Puede ser Cúbica, Tetraédrica u Octaédrica. b) ¿Cómo es la conductividad eléctrica? No conducen la corriente eléctrica, por lo tanto son aislantes. c) ¿A qué se debe ese comportamiento? En un cristal iónico, los iones están atrapados en sitios fijos en la red cristalina, estos no pueden migrar y por lo tanto no pueden conducir la corriente eléctrica. d) Proporcione dos ejemplos Cloruro de Sodio, NaCl (AX).- Formado por una estructura cúbicas centrada en las caras, cada cloro está rodeado octaédricamente por 6 iones de sodio. Cuando el sodio elemental reacciona con el cloro elemental, un electrón del sodio se transfiere al cloro. El resultado es un ión sodio (Na+) y un ión cloro (Cl-). Cloruro de Cesio, CsCl (AX).- Cada catión está rodeado por ocho aniones y viceversa, su estructura es cúbica simple. Compuestos con estructuras semejantes: CsBr, TiCl, LiMg. Se puede decir que la estructura de CsCl es un par de redes cúbicas yuxtapuestas. Si los iones fuesen de tamaños similares, la estructura se asemejaría a la del cloruro de sodio. 2. Para un cristal covalente explique: Los átomos de los elementos alcanzan una estructura electrónica completa (regla del octeto) al compartir uno o más electrones con átomos adyacentes, en el que cada átomo aporta un electrón para cada enlace. Los enlaces covalentes son difíciles de romper, no conducen la electricidad (no electrones libres). Los compuestos orgánicos comúnmente presentan enlaces covalentes. Presentan principalmente estructuras tetraédricas. a) ¿Cómo es la estructura? Tetraédricas. b) ¿Cómo es la conductividad eléctrica? No conducen la electricidad.

c) ¿A qué se debe ese comportamiento? Los compuestos que presentan enlaces covalentes son por lo general gases, líquidos. Por lo contrario, entre los átomos de los sólidos covalente (cristales) la energía necesaria para que los átomos sean capaces de separarse entre sí debe ser muy alta y por lo mismo los puntos de fusión y ebullición solo se alcanzan a muy altas temperaturas. La falta de libertad que dan los átomos a sus electrones impiden la existencia de electrones deslocalizados que puedan moverse a través del cristal por lo que su conductividad es nula. d) Proporcione dos ejemplos El grafito es un material blando debido a que presenta enlaces covalentes dentro de sus láminas y enlaces débiles de Van der Waals entre sus láminas, que permiten deslizamiento entre ellas. Debido a esta unión tan débil entre las capas atómicas del grafito, los deslizamientos de unas frente a otras ocurren sin gran esfuerzo, y de ahí  su utilidad como conductor. El diamante es un cristal y es uno de los materiales más duros que existen, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en forma de una red tridimensional muy compacta, de ahí su extrema dureza y su carácter aislante a la electricidad. 3. Para un cristal metálico explique: a) ¿Cómo es la estructura? Tetraédrica y Octaédrica c) ¿Cómo es la conductividad eléctrica? Es excelente. d) ¿A qué se debe ese comportamiento? Debido a sus electrones libres. e) Proporcione dos ejemplos Sulfuro de hierro o Pirita - Forma cristales metálicos en forma de cubo. Sulfuro de Plomo - Forma cristales metálicos en forma octaédrica y cubo. Octaédrica.

4. Mencione dos propiedades o características de los semiconductores y dar dos ejemplos Capaces de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Germanio y Alúmina. 5. ¿Cómo es la estructura de un diodo? Los diodos están compuestos por dos zonas de material semiconductor (silicio, germanio) formando lo que se denominada unión P-N. La zona P se caracteriza por poseer una escasez de electrones y corresponde a la parte del ánodo (positivo). La zona N presenta un exceso de electrones y corresponde a la parte del cátodo (negativo). 6. Explique el comportamiento del diodo cuando se invierte la polaridad Aumenta la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería. El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. 7. Mencione una aplicación de los semiconductores Diodos, Transistores y Termisores.

Conclusiones

La estructura de cada material que ocupamos en nuestra vida diaria es importante, debido a que de esta dependen sus propiedades y características. La energía eléctrica que hoy es indispensable en nuestra sociedad, se ha aprovechado gracias a la conjunción de los materiales aislantes y conductores. Gracias a la práctica vimos el comportamiento de diferentes materiales al ser sometidos a un diferencial de potencial, registrando su capacidad para conducir la energía eléctrica. En los materiales aislantes la medida de la resistencia supero las capacidades del instrumental del laboratorio, pero dejando claro que no hay paso de corriente. Los materiales semiconductores están diseñados para la conducción unidireccional de la corriente, propiedad que se aprovecha en sistemas digitales para evitar malos funcionamientos por errores en la polarización de la corriente eléctrica. En esta práctica pudimos concluir que el cuarzo es mal conductor eléctrico porque los electrones de valencia están colocados en el enlace y no pueden moverse libremente, estos solidos son ejemplos de cristales covalentes; los metales en cambio son buenos conductores de electricidad, debido que los electrones de valencia son compartidos por muchos átomos sin llegar estar unidos, esto les da facilidad de moverse fácilmente. Y los sólidos poliméricos no son conductores de electricidad, porque todos sus electrones se encuentran en el enlace, son débiles y están unidos mediante las fuerzas de interacción intermoleculares. También vimos que los compuestos mixtos como fue el caso del cemento son malos conductores de electricidad porque presentan una combinación de enlaces iónicos y covalentes donde intervienen metales y no metales En muestra practica pudimos poner a prueba distintos materiales en cuestión de cual es más conductor, cual es un semiconductor y cuales son aislantes en nuestra practica la mayoría de los materiales fueron aislantes es importante saber cuáles nos sirven más para un paso eléctrico por ejemplo. Es importante saber que materiales de nuestra vida cotidiana son conductores e identificar sus características. En esta práctica pudimos observar el comportamiento eléctrico de varios materiales cotidianos por medio de las mediciones que obtuvimos en el laboratorio con el multímetro y gracias a estas mediciones pudimos determinar si el material era buen conductor de la electricidad y también si era un aislante o un conductor.

BIBLIOGRAFÍA Askeland, D. R. Ciencia e ingeniería de los materiales. Thomson Editores, 3ª. ed. 1998. Chang, R. Química, Mc Graw Hill, 6a. ed. 1999. Ebbing, D. D. Química general, Mc Graw Hill, 5ª. ed. 1997. Moore, E.; Smart, L. Química del estado sólido, Addison-Wesley Iberoamericana. 1995. Shackelford, J. F. Ciencia de materiales para Ingenieros. Prentice Hall, 3ª. ed. 1992. Smith, W. F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales. Mc Graw Hill, 3ª. ed. 1998. Van Vlack, L. H. Materiales para Ingeniería. C.E.C.S.A., 1993.