Semiconductores 01, Estructura Atomica, Intrínseco, Extrínseco, Impurezas pentavalentes, trivalentes
Summary
TLDREste video educativo explora la importancia de los semiconductores en la electrónica moderna. Se explica la estructura atómica de los materiales, destacando cómo el número atómico influye en la disposición de electrones y protones. Se discuten los conceptos de electrones libres y huecos, fundamentales para la conductividad. Se introducen los semiconductores intrínsecos y extrínsecos, y se explica cómo el dopaje con impurezas pentavalentes (donadoras) o trivalentes (aceptadoras) modifica las propiedades conductivas, resultando en semiconductores de tipo n (negativo) o p (positivo). El video invita a los espectadores a un próximo episodio que profundizará en la unión de n.
Takeaways
- 😀 Los semiconductores son fundamentales en la electrónica moderna y se encuentran en todos los aparatos electrónicos actuales.
- 🔬 La estructura atómica de los materiales es clave para entender cómo funcionan los semiconductores, ya que cada átomo está compuesto por protones, neutrones y electrones.
- ⚛️ Los electrones en las capas de valencia externas de un átomo son importantes para la conductividad eléctrica, ya que pueden convertirse en electrones libres con una excitación mínima.
- 🌐 La conductividad de los materiales varía según la cantidad de electrones libres disponibles; los conductores tienen muchos electrones libres, mientras que los aislantes tienen pocos.
- 🔋 El cobre es un buen conductor debido a que tiene un electrón en su última capa de valencia que es fácil de liberar.
- 💠 El silicio y el germanio son materiales semiconductores comunes, siendo el silicio el más utilizado debido a su abundancia en la naturaleza.
- 🔗 Los enlaces covalentes son la unión de electrones entre átomos vecinos en un cristal, lo que da lugar a una estructura estable y a la saturación de valencia.
- 🌡️ Los semiconductores intrínsecos son cristales puros que, con la aplicación de energía térmica, pueden generar electrones libres y huecos, que son equivalentes a cargas positivas.
- 🔌 La dopación de semiconductores con impurezas pentavalentes (donadoras) o trivalentes (aceptadoras) modifica su conductividad, creando semiconductores de tipo n o p, respectivamente.
- 🔬 La diferencia entre semiconductores de tipo n (con impurezas donadoras) y tipo p (con impurezas aceptadoras) radica en que el primero aporta electrones libres y el segundo huecos que actúan como cargas positivas.
Q & A
¿Qué son los semiconductores y por qué son importantes en la electrónica moderna?
-Los semiconductores son materiales que pueden tener conductividad eléctrica entre la de un conductor y la de un aislante. Son fundamentales en la electrónica moderna porque forman la base de la mayoría de los componentes electrónicos utilizados en dispositivos actuales.
¿Qué información proporciona el número atómico de un material?
-El número atómico indica la cantidad de protones y electrones que tiene un átomo de un material, lo que a su vez determina su estructura atómica y sus propiedades químicas y físicas.
¿Cuál es la función principal de los protones dentro del núcleo atómico?
-Los protones, al ser cargas positivas, sirven para mantener una atracción hacia los electrones, que son cargas negativas, para que estos no escapen de sus órbitas.
¿Cómo se llaman las órbitas en las que giran los electrones alrededor del núcleo atómico?
-Las órbitas en las que giran los electrones alrededor del núcleo atómico se llaman capas de valencia.
¿Qué sucede con los electrones en la última capa de valencia cuando se les aplica una excitación mínima?
-Los electrones en la última capa de valencia pueden convertirse en electrones libres fácilmente con una pequeña excitación, debido a la menor fuerza de atracción que experimentan con el núcleo.
¿Qué es un electrón libre y cómo afecta la conductividad de un material?
-Un electrón libre es un electrón que se ha desprendido de su órbita atómica y que puede moverse libremente. La presencia de electrones libres aumenta la conductividad de un material, haciéndolo un mejor conductor de electricidad.
¿Cuál es la relación entre el número atómico del cobre y la distribución de sus electrones?
-El cobre tiene un número atómico de 29, lo que significa que tiene 29 protones y 29 electrones. Estos electrones se distribuyen en capas de valencia, con 2 en la primera, 8 en la segunda, 18 en la tercera y el último electrón en la cuarta capa.
¿Por qué el cobre es un buen conductor de electricidad?
-El cobre es un buen conductor de electricidad porque tiene un electrón en su última capa de valencia, lo que hace que sea fácil liberarlo y crear electrones libres, que son necesarios para la conducción eléctrica.
¿Qué es un enlace covalente y cómo se forma en un cristal de silicio?
-Un enlace covalente es una conexión formada entre átomos que comparten electrones. En un cristal de silicio, cada átomo de silicio comparte un electrón con sus vecinos, formando enlaces covalentes y completando sus capas de valencia con 8 electrones, según la regla del octeto.
¿Qué es un semiconductor intrínseco y cómo se diferencia de un semiconductor extrínseco?
-Un semiconductor intrínseco es un cristal puro de silicio que no contiene electrones libres ni huecos, por lo que actúa como un aislante. Un semiconductor extrínseco, en cambio, tiene electrones libres o huecos introducidos por impurezas, lo que aumenta su conductividad.
¿Qué son las impurezas donadoras y aceptadoras en un semiconductor y cómo afectan su conductividad?
-Las impurezas donadoras son átomos pentavalentes que aportan electrones adicionales, creando semiconductores tipo n con mayor conductividad. Las impurezas aceptadoras son átomos trivalentes que aportan huecos, creando semiconductores tipo p que también aumentan la conductividad pero a través de la movilidad de los huecos.
Outlines
🔬 Introducción a los Semiconductores
Este primer párrafo introduce el tema de los semiconductores, fundamentales en la electrónica moderna. Se explica que todos los dispositivos electrónicos contienen componentes semiconductores. Se detalla la estructura atómica de los materiales, destacando el papel del número atómico y cómo la cantidad de electrones y protones define la configuración electrónica de los átomos. Se describe la disposición de los electrones en órbitas o capas de valencia, y cómo la fuerza de atracción entre estos y el núcleo influye en la posibilidad de que los electrones se conviertan en electrones libres, lo que es crucial para entender la conductividad de los materiales.
🌐 Estructura Atómica y Conductividad
Este segmento profundiza en la estructura atómica, utilizando el cobre y el silicio como ejemplos. Se explica cómo la cantidad de electrones en la última capa de valencia (capa de valencia) determina si un material es conductor o semiconductor. El cobre, con un electrón en la última capa, es un buen conductor, mientras que el silicio y el germanio, con cuatro electrones en su última capa, son semiconductores. Se discute la preferencia del silicio como material semiconductor debido a su abundancia y se introduce el concepto de cristal de silicio y enlaces covalentes, que son fundamentales para la formación de estructuras estables y la saturación de valencia.
🌡️ Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos
Este párrafo explora la diferencia entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Un semiconductor intrínseco es un cristal de silicio puro que, al no tener electrones libres, actúa como un aislante. Sin embargo, la introducción de energía térmica puede generar electrones libres y huecos, permitiendo una conductividad limitada. Un semiconductor extrínseco se crea al 'dopaje' del cristal de silicio con impurezas, ya sea pentavalentes (donadoras de electrones) para crear un semiconductor de tipo n, o trivalentes (aceptadores de electrones) para crear un de tipo p. Este dopaje controla la conductividad del semiconductor.
🔋 Tipos de Semiconductores y su Dopaje
Finalmente, se explican los tipos de semiconductores y su dopaje. Se describe cómo la adición de impurezas pentavalentes (como el arsénico) a un cristal de silicio lo convierte en un semiconductor de tipo n, caracterizado por tener electrones libres adicionales. Por otro lado, la adición de impurezas trivalentes (como el boro) crea huecos que actúan como cargas positivas, formando un semiconductor de tipo p. Se enfatiza la importancia de entender estos conceptos para avanzar en el estudio de los semiconductores, con una promesa de explorar la unión de semiconductores de tipo n y p en futuras lecciones.
Mindmap
Keywords
💡Semiconductores
💡Estructura atómica
💡Cargas eléctricas
💡Electrones libres
💡Impurezas (Dopaje)
💡Cristal de silicio
💡Enlaces covalentes
💡Regla del octeto
💡Hueco
💡Semiconductor intrínseco
💡Semiconductor extrínseco
Highlights
La electrónica moderna se basa en semiconductores.
La estructura atómica de los materiales es clave para entender sus propiedades.
Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones que giran en órbitas.
Los electrones en las capas de valencia más alejadas del núcleo son más fáciles de excitar.
Los electrones libres son electrones que se desprenden de sus órbitas y son importantes en la conductividad eléctrica.
El cobre es un buen conductor de electricidad debido a su estructura atómica.
El número atómico indica la cantidad de protones y electrones de un átomo.
El germanio y el silicio son utilizados como materiales semiconductores.
El silicio es el semiconductor preferido debido a su abundancia en la Tierra.
Los cristales de silicio son formados por enlaces covalentes entre átomos de silicio.
La regla del octeto de Lewis explica la estabilidad de los enlaces covalentes.
Un cristal puro de silicio se comporta como un aislante debido a la falta de electrones libres.
La excitación térmica puede generar electrones libres y huecos en un cristal de silicio.
Un semiconductor intrínseco es uno que tiene huecos y electrones libres por excitación térmica.
La dopación de un semiconductor con impurezas aumenta su conductividad.
Los semiconductores tipo n son dopados con impurezas pentavalentes que donan electrones.
Los semiconductores tipo p son dopados con impurezas trivalentes que aceptan electrones.
La dopación controla la resistencia de un semiconductor, con dopantes en mayor cantidad se reduce la resistencia.
Transcripts
hola amigas y amigos bienvenidos a esta
nueva lista de reproducción que hoy
inauguramos
habla de los semiconductores y de este
tema hay mucho que decir pues la
electrónica moderna está basada en estos
todos los aparatos electrónicos de hoy
en día tienen en su interior un sinfín
de componentes semiconductores de los
que hablaremos en otras secciones así
que el tema de semiconductores es
importante y abundante para
comprenderlos primero hablaremos de la
estructura atómica que espero que este
no sea el primer acercamiento que tienes
con este sub tema sino que antes ya
hayas estudiado o visto algo de ello se
sabe que todos los materiales tienen un
número atómico y que nos indica ese
número atómico a bueno es el que nos
provee información de cómo es la
estructura de los átomos de los
materiales en otras palabras nos indica
la cantidad de electrones y protones con
los que se conforman cada uno de los
átomos del material en cuestión
cada átomo se conforma por órbitas
formalmente llamadas capas de valencia
estas líneas en forma de óvalo donde se
encuentran girando dichos electrones
como si fuesen planetas y girando
alrededor del sol en el caso de los
átomos el sol representa el núcleo donde
están concentrados los protones que
dicho sea de paso son las cargas
positivas recuerden que las cargas de
signos opuestos se atraen así que la
función principal de estos protones es
mantener cierta fuerza de atracción para
que los electrones no escapen de sus
órbitas este equilibrio natural de los
átomos se debe a que la misma cantidad
de protones en el núcleo es la misma
cantidad de electrones que giran sobre
las líneas de valencia toda vez que el
átomo se encuentra en reposo que quiere
decir que el átomo se encuentra a
temperatura envía
sin excitación alguna verdad y entonces
es evidente que los electrones que están
en las líneas de valencia más próximas
al núcleo experimentan una fuerza de
atracción mayúscula al núcleo que los
electrones que se encuentran en las
líneas de valencia más alejadas de él
por lo tanto un electrón en la última
línea de valencia resultará sencillo
sacarlo de su órbita con una pequeña
excitación debido a la leve fuerza de
atracción que experimenta con el núcleo
a estos electrones que se desprenden de
sus órbitas se llaman electrones libres
porque porque ya no están atados a
ningún átomo ya son libres de irse a
cualquier otro lado y en su lugar dejan
un hueco en la línea de valencia donde
salieron
es curioso decir que los electrones
estando ya sea en sus respectivas capas
de valencia o como electrones libres
nunca se tocan nunca chocan uno con él
y que el número máximo de electrones que
puede haber en cada capa de valencia
está dada por la siguiente ecuación
donde n representa el número de la capa
de valencia por ejemplo el número
atómico del cobre es 29 quiere decir que
cada núcleo de un átomo de cobre tiene
29 protones es decir 29 cargas positivas
y por lo tanto 29 cargas negativas
también es decir 29 electrones girando
sobre las capas de valencia distribuidas
de la siguiente manera en la capa número
1 según la fórmula hay 2 electrones en
la capa número 2 8 electrones y en la
capa número 3 18 electrones al sumar
esto nos da 28 electrones pero como el
número atómico nos dice que hay 29
entonces falta un electrón
por lo tanto es el único que estaría en
la última capa de valència en este caso
en la capa 4
si pudiéramos observar un átomo de cobre
en un ultra microscopio válgame la
expresión lo veríamos de esta manera y
observen ustedes que los dos electrones
en la primera capa de valencia debido a
su cercanía con los protones experimenta
una fuerza de atracción con el núcleo
mayúscula respecto al último electrón
que se encuentra en la cuarta capa de
valencia por lo tanto como el cobre
tiene un electrón en la última capa de
valencia resulta sencillo que se vuelva
un electrón libre ante una excitación
mínima y es por ello que el cobre es un
excelente conductor de flujo de
electrones alias corriente eléctrica
como en la electrónica tenemos interés
en los electrones que se encuentran en
la última capa de valencia
entonces los átomos de los materiales
únicamente se simbolizan a sí
quiere decir que la parte interna de un
átomo de cobre tiene una carga neta de
más 1 ya que contiene 29 protones de los
cuales 28 electrones se encuentran en
las capas internas y 1 en la última capa
de valencia por lo que a causa de ello
la atracción que siente el electrón de
valencia pues es más 1 ahora es que
maticemos la estructura atómica del
germanio y el silicio el germanio tiene
un número atómico igual a 32 utilizando
la fórmula sabremos que en la primera
capa de valencia hay 2 electrones en la
segunda 8 y en la tercera 18 esto da
como resultado 28 electrones aún nos
faltan 4 electrones para los 32 que
estarían en la cuarta capa de valencia
así que el germanio tiene cuatro capas
de valencia
en la cuarta capa hay cuatro electrones
y el diagrama equivalente de la
estructura de un átomo de este material
se puede representar así ahora
analicemos el silicio el silicio tiene
un número atómico igual a 14 utilizando
la fórmula sabremos que en la primera
capa de valencia hay 2 electrones en la
segunda 8 esto da como resultado 10
electrones aún nos faltan 4 electrones
para los 14 que estarían en la tercera
capa de valencia así que el silicio
tiene 3 capas de valencia y en la última
capa igual que el germanio hay 4
electrones y el diagrama equivalente de
la estructura del átomo de este material
se puede representar así noten ustedes
la similitud entre el germanio y el
silicio muy bien hemos visto que los
materiales conductores son por
excelencia el oro
y el cobre aunque el átomo de germanio
tiene una capa más de valencia respecto
a la del silicio ambos son utilizados
como materiales semiconductores ahora
vamos a ver por qué y debido a que en
este planeta hay más silicio que
germanio el semiconductor preferido por
los fabricantes es el silicio aunque
también es utilizado en algunos casos el
germanio ahora entremos en materia pues
de los semiconductores
cuando varios átomos de silicio se
aproximan a otros entre sí y se forma
una estructura llamada cristal en este
caso cristal de silicio las capas de
valencia se juntan y cada átomo comparte
un electrón con los otros átomos vecinos
observen el átomo del centro ese tiene
cuatro vecinos y tiene cuatro electrones
compartidos con otros átomos verdad a
cada electrón compartido se le denomina
enlace covalente en 1917 gilber newton
lewis anunció la regla del octeto que
dice que cuando los átomos completan sus
últimas capas de valencia con 8
electrones la forma que adquiere es una
estructura muy estable que nos da luz
a que haya electrones libres y a este
efecto le llamo saturación de valencia
miren sigan observando el átomo del
centro y ahora imaginen que otros átomos
de silicio se han unido a estos tenemos
frente a nosotros un cristal puro de
silicio que por la regla del octeto de
lewis sabemos que no tendrá electrones
libres así que este cristal se comporta
como un aislante perfecto un aislante es
lo contrario de un conductor hemos visto
que en el caso de los conductores con
una pequeña excitación se puede generar
electrones libres y por lo tanto su
resistencia es extremadamente pequeña
verdad y en el caso de los aislantes la
excitación tendría que ser mayúscula
para que apenas logremos hacer
uno que otro electrón libre en algunos
casos eso será imposible y por lo tanto
su resistencia pues es enorme
bueno un semiconductor no es un aislante
perfecto pero tampoco es un conductor
por excelencia sino que tiene
comportamientos de ambos que veremos
ahora y miren a pesar que en esta
estructura principalmente en el átomo
del centro no hay electrones libres
cuando un cristal de silicio se le
excita mediante energía térmica pues muy
probablemente empiece a ver uno que otro
electrón libre la salida de un electrón
de la capa de valencia de algunos de los
átomos deja un vacío en dicha capa de
valencia que se denomina hueco
este hueco se comporta como una carga
positiva porque la pérdida del electrón
da lugar a un guión positivo y entonces
este juego atraerá a cualquier electrón
que se encuentre en la vecindad
inmediata verdad si el cristal se
encuentra expuesto a una corriente
eléctrica cada hueco buscará ser
apareado con cualquier electrón libre
que le sea más fácil atraer y entonces
el cristal de silicio quedará nuevamente
sin ningún hueco y tampoco sin ningún
electrón libre el cristal de silicio
puro entonces si se le da el nombre de
semiconductor intrínseco un
semiconductor intrínseco es aquel que
nos da lugar a huecos y electrones
libres y por lo tanto
por está como un perfecto aislante a
diferencia de un semiconductor
extrínseco un semiconductor extrínseco
incrementa la conductividad en el
semiconductor entiéndase con esto que
existen electrones libres para que esta
conductividad sea posible el cristal de
silicio puro deberá ser topado topado
quiere decir que se introduce en el
cristal algunas impurezas las impurezas
son algunos átomos de otro material
pentavalente en este caso cuya
estructura tiene 5 electrones en la
última capa de valencia de ahí su nombre
por ejemplo imaginemos que queremos un
semiconductor que por cada 20 átomos de
silicio exista un electrón libre
entonces debemos de domar el cristal con
un átomo de arsénico
que son átomos pentavalentes ahí les
queda de tarea comprobar que la
estructura atómica de estos dos
materiales tienen en su última capa de
valencia cinco electrones muy bien bueno
pues los fabricantes controlan la
conductividad de un semiconductor topado
cuantos más átomos pentavalentes
recuerden también llamados impurezas se
añadan a un semiconductor intrínseco
puro más electrones libres
abraham en otras palabras un
semiconductor débilmente dopado presenta
una resistencia alta mientras que un
semiconductor fuertemente dopado
presenta una resistencia a baja
puesto que estas impurezas donarán un
electrón adicional por cada átomo
pentavalente entonces habitualmente se
denominan impurezas donadoras y atención
a este semiconductor compuesto por un
cristal extrínseco es decir topado con
impureza pentavalente lleva el nombre de
semiconductor tipo n donde n significa
negativo es decir la impureza
pentavalente aporta por cada uno de sus
átomos una carga negativa en contraparte
existe la posibilidad de dotar un
cristal de silicio con impurezas
aceptado horas introduciendo al cristal
de silicio átomos de otro material pero
ahora trivalentes cuya estructura tiene
tres electrones en su última capa de
valencia
como el boro el aluminio y el galio se
quedan con la tarea de comprobar la
estructura atómica de estos tres
materiales
muy bien cuando se introduce esta
importa trivalente al cristal intrínseco
esta donará un hueco y por lo tanto se
denomina impureza aceptado ahora porque
cada uno de los huecos con los que
contribuye puede aceptar un electrón
libre y por lo tanto a este cristal
dopado con un átomo trivalente se le
denomina semiconductor tipo p donde p
significa positivo es decir la impureza
trivalente aporta por cada uno de sus
átomos un hueco que sabemos forma un
guión positivo muy bien hemos aprendido
el significado de dopaje del número
atómico y estructura atómica de los
materiales
de electrones libres hemos aprendido a
simbolizar diagramas equivalentes
materiales conductores y semiconductores
cristal y enlaces covalentes el efecto
de saturación de valencia hemos
comprendido la definición de ión y hueco
también de semiconductor intrínseco y
semiconductor extrínseco impurezas
pentavalentes o donadoras e impurezas
trivalentes o aceptado horas
semiconductor tipo n y semiconductor
tipo p si aún no tienes claros todos
estos conceptos te recomiendo que tomes
nota y estudies este vídeo una y otra
vez a fin de estar preparado o preparada
para nuestro siguiente vídeo que habla
de uno de los conceptos más importantes
de los semiconductores se trata de la
unión de n pero eso lo veremos más
adelante
hasta la próxima
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