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Tema 45
Teoría de Bandas. Carácter conductor, semiconductor y aislante de las distintas sustancias.
Superconductividad. Importancia de los semiconductores y superconductores en las nuevas
tecnologías.
Índice
I. Introducción .......................................................................................................................... 2
II. Desarrollo .............................................................................................................................. 2
1. Teoría de Bandas ............................................................................................................... 2
1.1. Modelo del gas electrónico ....................................................................................... 2
1.2. Teoría de Bandas ....................................................................................................... 3
1.3. Niveles de energía, bandas de conducción y de valencia ......................................... 3
2. Carácter conductor, semiconductor y aislante de las diferentes sustancias .................... 5
2.1. Conductores metálicos. Electrones libres ................................................................. 5
2.2. Aislantes .................................................................................................................... 6
2.3. Semiconductores ....................................................................................................... 7
2.3.1. Semiconductores intrínsecos ............................................................................ 7
2.3.2. Semiconductores extrínsecos............................................................................ 7
3. Superconductividad........................................................................................................... 8
3.1. Propiedades de los superconductores ...................................................................... 8
3.1.1. Resistencia nula ................................................................................................. 8
3.1.2. Propiedades Magnéticas ................................................................................... 9
3.1.3. Coherencia de Fase ........................................................................................... 9
4. Importancia de los Semiconductores y Superconductores en las nuevas tecnologías ... 10
4.1. Aplicaciones de los Semiconductores ..................................................................... 10
4.1.1. Células solares ................................................................................................. 10
4.1.2. Transistores ..................................................................................................... 10
4.2. Aplicaciones de los Superconductores .................................................................... 11
III. Conclusión ....................................................................................................................... 12
, I. Introducción
Aunque ya se conocía mucho antes, con la invención de la bombilla por parte de Thomas
Edison el mundo no volvería a ser el mismo gracias a poder usar la corriente eléctrica para
iluminar, mediante un filamento incandescente al paso de la corriente. Esto abriría un campo de
estudio en la investigación de cómo usar la corriente eléctrica, y cómo funcionaba realmente la
conducción de la electricidad, puesto que no todos los materiales la conducen por igual.
Con el tiempo, y debido al desarrollo de los materiales, había que darle una explicación plausible,
aunque no es hasta la aparición de la Física Cuántica y al descubrimiento del electrón cuando se
pudo empezar a comprender cómo actuaba la corriente eléctrica en los distintos materiales.
Ahora bien, ¿Por qué unos materiales conducen la electricidad y otros no? Estas preguntas se
hicieron los investigadores, llegando a la conclusión de la llamada teoría de bandas.
Con el tiempo aparecerían más materiales, y cada vez más complejos, puesto que como se verá
a continuación, no todo se reduce a materiales aislantes o conductores, ya que, en las
condiciones adecuadas, existen también los llamados semiconductores y superconductores.
Todos ellos con tan variadas aplicaciones que provocarían una revolución en cómo se vería el
mundo a partir de entonces.
II. Desarrollo
1. Teoría de Bandas
1.1. Modelo del gas electrónico
Poco después del descubrimiento experimental del electrón por parte de Thomson, Paul
Drude y Hendrick A. Lorentz desarrollaron el primer modelo electrónico de la conductividad en
un material. Este modelo supone que el material sólido consiste en átomos metálicos dispuestos
en una estructura cristalina capaz de vibrar, pero los electrones son el elemento crucial para
comprender la conductividad. Los materiales conductores como el cobre y la plata tienen un
electrón de valencia que se puede separar fácilmente. En este sentido Drude y Lorentz lo que
hacen es suponer que estos electrones de valencia son los que proporcionan la corriente de
conducción cuando se aplica un voltaje.
En este modelo, los electrones libres forman un tipo de gas ideal (gas de electrones) dentro
del material conductor. A pesar de la presencia de los átomos de la red, se supone que los
electrones se mueven aleatoriamente como las moléculas en la teoría cinética de los gases,
hasta que se aplica un campo eléctrico. Es en este momento cuando comienzan a moverse en la
dirección de la fuerza eléctrica que se ejerce sobre ellos.
En el movimiento de los electrones, estos colisionan de forma inelástica con impurezas e
imperfecciones de la propia estructura cristalina reduciendo su energía cinética, apareciendo
esta pérdida en forma de calor. Cuantas más colisiones, más resistencia encuentran, es lo que
se conoce macroscópicamente como Ley de Ohm.
Tema 45
Teoría de Bandas. Carácter conductor, semiconductor y aislante de las distintas sustancias.
Superconductividad. Importancia de los semiconductores y superconductores en las nuevas
tecnologías.
Índice
I. Introducción .......................................................................................................................... 2
II. Desarrollo .............................................................................................................................. 2
1. Teoría de Bandas ............................................................................................................... 2
1.1. Modelo del gas electrónico ....................................................................................... 2
1.2. Teoría de Bandas ....................................................................................................... 3
1.3. Niveles de energía, bandas de conducción y de valencia ......................................... 3
2. Carácter conductor, semiconductor y aislante de las diferentes sustancias .................... 5
2.1. Conductores metálicos. Electrones libres ................................................................. 5
2.2. Aislantes .................................................................................................................... 6
2.3. Semiconductores ....................................................................................................... 7
2.3.1. Semiconductores intrínsecos ............................................................................ 7
2.3.2. Semiconductores extrínsecos............................................................................ 7
3. Superconductividad........................................................................................................... 8
3.1. Propiedades de los superconductores ...................................................................... 8
3.1.1. Resistencia nula ................................................................................................. 8
3.1.2. Propiedades Magnéticas ................................................................................... 9
3.1.3. Coherencia de Fase ........................................................................................... 9
4. Importancia de los Semiconductores y Superconductores en las nuevas tecnologías ... 10
4.1. Aplicaciones de los Semiconductores ..................................................................... 10
4.1.1. Células solares ................................................................................................. 10
4.1.2. Transistores ..................................................................................................... 10
4.2. Aplicaciones de los Superconductores .................................................................... 11
III. Conclusión ....................................................................................................................... 12
, I. Introducción
Aunque ya se conocía mucho antes, con la invención de la bombilla por parte de Thomas
Edison el mundo no volvería a ser el mismo gracias a poder usar la corriente eléctrica para
iluminar, mediante un filamento incandescente al paso de la corriente. Esto abriría un campo de
estudio en la investigación de cómo usar la corriente eléctrica, y cómo funcionaba realmente la
conducción de la electricidad, puesto que no todos los materiales la conducen por igual.
Con el tiempo, y debido al desarrollo de los materiales, había que darle una explicación plausible,
aunque no es hasta la aparición de la Física Cuántica y al descubrimiento del electrón cuando se
pudo empezar a comprender cómo actuaba la corriente eléctrica en los distintos materiales.
Ahora bien, ¿Por qué unos materiales conducen la electricidad y otros no? Estas preguntas se
hicieron los investigadores, llegando a la conclusión de la llamada teoría de bandas.
Con el tiempo aparecerían más materiales, y cada vez más complejos, puesto que como se verá
a continuación, no todo se reduce a materiales aislantes o conductores, ya que, en las
condiciones adecuadas, existen también los llamados semiconductores y superconductores.
Todos ellos con tan variadas aplicaciones que provocarían una revolución en cómo se vería el
mundo a partir de entonces.
II. Desarrollo
1. Teoría de Bandas
1.1. Modelo del gas electrónico
Poco después del descubrimiento experimental del electrón por parte de Thomson, Paul
Drude y Hendrick A. Lorentz desarrollaron el primer modelo electrónico de la conductividad en
un material. Este modelo supone que el material sólido consiste en átomos metálicos dispuestos
en una estructura cristalina capaz de vibrar, pero los electrones son el elemento crucial para
comprender la conductividad. Los materiales conductores como el cobre y la plata tienen un
electrón de valencia que se puede separar fácilmente. En este sentido Drude y Lorentz lo que
hacen es suponer que estos electrones de valencia son los que proporcionan la corriente de
conducción cuando se aplica un voltaje.
En este modelo, los electrones libres forman un tipo de gas ideal (gas de electrones) dentro
del material conductor. A pesar de la presencia de los átomos de la red, se supone que los
electrones se mueven aleatoriamente como las moléculas en la teoría cinética de los gases,
hasta que se aplica un campo eléctrico. Es en este momento cuando comienzan a moverse en la
dirección de la fuerza eléctrica que se ejerce sobre ellos.
En el movimiento de los electrones, estos colisionan de forma inelástica con impurezas e
imperfecciones de la propia estructura cristalina reduciendo su energía cinética, apareciendo
esta pérdida en forma de calor. Cuantas más colisiones, más resistencia encuentran, es lo que
se conoce macroscópicamente como Ley de Ohm.
