MATERIALES AISLANTES CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES

AISLANTES:

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material, el aislante es el que posee más de 4 electrones en su última capa de valencia.

TIPOS Y CARACTERISTICAS:

Aislantes Sólidos: Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado, el cual da forma a estructuras de aislamiento rígidas. En los sistemas de aislamiento de transformadores destacan las cintas sintéticas, que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados.

Aislantes Líquidos: Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos. El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable. Fluidos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.

Aislantes Gaseosos: Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material (para más detalles ver semiconductor).

Los materiales aislantes son mejor conocidos como aquellos que tiene sus electrones de valencia relativamente fijos formando enlaces no conductores eléctricos.

Ejemplos: Oxigeno, azufre, diamante.

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Estos materiales conductores tienen un gran número de electrones libres (electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos electrones. Algunos materiales, como el silicio o el germanio, que tienen un número limitado de electrones libres, se comportan como semiconductores, y son la materia básica de los transistores.

En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico.

La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El polietileno y polietileno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el millar se emplea en condensadores eléctricos. También hay que seleccionar los aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas, entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxi y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad.

¿Cuál es la diferencia existente entre conductor, semiconductor y aislante?

Es sencillo, los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia, el semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de valencia y el aislante es el que posee más de 4 electrones en la capa de valencia.

Algunos aislantes mas usados:

» Vinilo: tienen como función principal aislar y empalmar cables de baja tensión (usualmente máximo hasta 600 Volts). También son usados como respaldo y protección contra UV (instalaciones tipo exterior) en las chaquetas de cables de media tensión.







» Caucho: aísla conductores eléctricos y permiten empalmes con la particularidad de que se pueden consolidar como una sola pieza de caucho después del enrollado, lo que adicional mente protege contra la humedad.










» Tela de vidrio: aísla eléctricamente cables en baja tensión pero con una aplicación para temperaturas altas, usualmente superiores a los 150°C e inferiores a 300°C. Por otro lado, una aplicación común de estas cintas es el amarre mecánico, ya que su tensión de ruptura puede ser hasta 10 veces superior a la de las cintas de vinilo.

CONDUCTORES

Un conductor es un material a través del cual puede fluir la corriente eléctrica. Para ser un conductor, un material debe contener cargas eléctricas libres. Hay muchos tipos de conductores, y difieren en el tipo de cargas libres disponibles y en cómo son creadas.

En materiales como los metales, algunos electrones no se hallan ligados a sus átomos individuales, sino que son libres de moverse a través del material: en efecto son compartidos por todos los átomos.

Esas partículas sueltas reciben el nombre de electrones de “conducción”. En un metal como el cobre, aproximadamente un electrón por átomo es de ese tipo. Los metales son los conductores más comúnmente usados.

Para que un material que transporte electricidad sea asequible, debe ser barato  y buen conductor eléctrico, por lo cual el cobre es ideal ya que reúne esas dos características. Por ello es el conductor más usado, como por ejemplo en los cables eléctricos de las casas.

El aluminio es también usado ocasionalmente con esa finalidad, pero no es tan buen conductor como el cobre. En situaciones en las que el coste no es una objeción, como en los satélites espaciales, en los circuitos eléctricos se usa el oro y la plata porque son ligeramente mejores conductores que el cobre, aunque son mucho más caros.

• Conductores: En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
• Conductores sólidos: Metales
• Características físicas:

• estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido.
• opacidad, excepto en capas muy finas.
• buenos conductores eléctricos y térmicos.
• brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.
• dureza o resistencia a ser rayados;
• resistencia longitudinal o resistencia a la rotura;
• elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación;
• maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; (puede batirse o extenderse en planchas o laminas)
• resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas
• ductilidad: permite su deformación forzada, en hilos, sin que se rompa o astille.
• Características químicas:
• Valencias positivas: Tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan.
• Tienden a formar óxidos básicos.
• Energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes
• Características eléctricas:
• mucha resistencia al flujo de electricidad.
• todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos.
• superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes
• La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.
• Ejemplos de metales conductores: Cobre. Este material es un excelente conductor de las señales eléctricas y soporta los problemas de corrosión causados por la exposición a la intemperie, por eso se usa para los cables. También el aluminio es un buen conductor. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta (a temperatura ordinaria) la plata.
• Conductores líquidos:
• El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.
• Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que pueden ser cationes, (+) o aniones (-).
• Conductores gaseosos:
• Valencias negativas (se ioniza negativamente)
• En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.
• Tienden a adquirir electrones
• Tienden a formar óxidos ácidos.
• Ejemplos: Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados)

                                                                              

Semiconductores

Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

Semiconductores intrínsecos

Es un cristal de Silicio o Germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conduccióndejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio y el germaniorespectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

n_i = n = p

siendo n_i la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento.

Ejemplos de valores de n_i a temperatura ambiente (25ºc):

n_i(Si) = 1.5 10¹⁰cm^-3

n_i(Ge) = 2.5 10¹³cm^-3

Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.

Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son losportadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Semiconductor tipo p

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.

Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

La característica común que presentan los semiconductores, como el silicio o el germanio, es la de poseer cuatro electrones en su capa de valencia. Esta estructura electrónica permite la agrupación de los átomos, formando una estructura reticular en la que cada uno de ellos queda rodeado por otros cuatro. Entre dichos átomos se establece un enlace covalente, por compartición de un par de electrones.

A bajas temperaturas, la estructura del semiconductor se establece y se comporta como un aislante. No obstante, al aumentar la temperatura y debido a la proximidad de la banda de conducción, algunos electrones abandonan la capa de valencia y pasan a la de conducción. Estos electrones contribuyen a establecer una corriente eléctrica cuando se aplica un campo eléctrico exterior.

Al mismo tiempo, su paso a la banda de conducción origina un hueco en la banda de valencia. Ese hueco permite que los electrones de la capa de valencia adquieran cierta movilidad al desplazarse para rellenarlo, produciéndose así nuevos huecos.

Existe, por tanto, una conducción por «huecos». Dado que el hueco representa la falta de un electrón, su movimiento puede considerarse equivalente al de una carga +e positiva.

Se establece, por tanto, una doble conducción en el semiconductor: por un lado, la correspondiente a los electrones que han saltado a la banda de conducción, y por otro, la que corresponde al movimiento de los huecos en la banda de valencia.

A esta conductividad de los semiconductores se le denomina conductividad intrínseca, por ser propia del semiconductor. Como ya hemos dicho, la conductividad intrínseca dependerá de la temperatura, aumentando a medida que lo haga ésta.

Para evitar el efecto de la temperatura se modifica la conductividad de los semiconductores de una forma más estable, añadiendo pequeñas cantidades de otro elemento, denominadas impurezas, mediante un proceso denominado dopado del semiconductor.