Fisica General Burbano

704 ELECTRÓNICA
Los electrones sólo pueden desplazarse si hay niveles próximos vacíos. Según esto:
Se denomina BANDA DE CONDUCCIÓN a la banda de energía más baja que no está completamente
llena; a la inmediatamente inferior se le llama BANDA DE VALENCIA.
Estas definiciones se refieren a la situación que se daría si el cristal estuviera a cero grados kelvin
de temperatura ya que, como comentaremos más adelante, un incremento de temperatura
puede promocionar electrones de una banda a otra superior.
Es evidente que por encima de la banda de conducción podemos considerar otras bandas correspondientes
a estados excitados de los átomos, y que a cero grados kelvin estarían vacías.
XXIX – 3. Conductores, semiconductores y aislantes
Fig. XXIX-3.– Bandas de conducción
(BC), de valencia (BV) y prohibida
(BP).
La distinción entre aislantes (o dieléctricos), semiconductores y conductores aparece de forma
natural en la teoría de bandas. En efecto, consideremos un cristal en el que la separación entre
átomos corresponde a d 1
de la Fig. XXIX-2, las bandas de valencia y de conducción están separadas
por una amplia banda prohibida, situación que se representa en la Fig. XXIX-3a; es el caso de
los materiales denominados AISLANTES. En un aislante ideal todos los niveles de la banda de valencia
están ocupados, la banda está llena y no contribuye a la conducción, y la banda de conducción
está vacía. En el aislante ideal la intensidad de corriente es nula para cualquier tensión aplicada;
sin embargo, si algunos electrones reciben energía suficiente para pasar a la banda de conducción
deja de comportarse como ideal, aunque las intensidades de corriente que se pueden producir
suelen ser extremadamente pequeñas.
Cuando la distancia entre átomos en la red cristalina es como la d 2
de la Fig. XXIX-2, la posición
relativa de las bandas es la representada en la Fig. XXIX-3b, en la que la banda prohibida tiene
una anchura pequeña, del orden de un electrón-voltio (1,602 × 10 –19 J); se trata de los SEMI-
CONDUCTORES, como el germanio y el silicio. A la temperatura de cero grados kelvin todos los electrones
ocupan niveles por debajo de uno dado, denominado NIVEL DE FERMI, que en los
semiconductores puros y sin imperfecciones en la red cristalina se encuentra en el centro de la
banda prohibida; a cero grados kelvin la banda de valencia está completa y la de conducción
vacía, con lo que a esa temperatura el material se comporta como un aislante, pero, por ser pequeña
la anchura de la banda prohibida, conforme aumenta la temperatura cada vez más electrones
adquieren la energía suficiente para superarla, gracias a las vibraciones térmicas de la red, y el
material aumenta su conductividad, al revés de lo que ocurre en los metales; en definitiva, el coeficiente
de variación de la resistencia con la temperatura es negativo en los semiconductores. Los
electrones que son promocionados a la banda de conducción dejan en la de valencia huecos que
también contribuyen al proceso de conducción, como se comentará en la cuestión XXIX-6.
Una tercera situación, la de los CONDUCTORES, se presenta cuando el espaciado de la red es
como el d 3
de la Fig. XXIX-2, en cuyo caso las bandas se solapan y la prohibida desaparece (Fig.
XXIX-3c). Esta situación se da en los metales, en los que por penetrar la banda de valencia en la
de conducción, ésta posee electrones y niveles desocupados. Los electrones de conducción pueden
moverse bajo la influencia de un campo eléctrico establecido en el metal.
XXIX – 4. Conductores metálicos. Electrones libres
En un cristal perfecto de un elemento metálico los electrones de conducción están sometidos
por parte de los átomos de la red a fuerzas que se compensan, pudiéndoseles considerar como libres
de los campos internos atómicos. Cada átomo contribuye con uno o más electrones de conducción
que constituyen lo que se denomina una NUBE DE ELECTRONES LIBRES. Un electrón de conducción
se mueve al azar en el interior del metal sin experimentar ninguna fuerza, a no ser que se
aplique una diferencia de potencial entre dos puntos del material.
Existen algunos hechos que avalan la existencia de electrones libres en el conductor. Por un
lado, el que la ley de Ohm se verifique incluso para tensiones muy bajas indica que no hay que superar
ninguna fuerza de ligadura de los electrones de conducción a sus átomos originales. Por otro
lado, en determinadas circunstancias que se comentarán en las cuestiones XXIX-5 y XXIX-8, el
metal puede emitir electrones sin alteración de sus átomos, e incluso, conectado a un circuito, puede
trasvasar muchos más de los que posee, lo que sugiere que éstos pasan libremente del circuito
exterior al metal. A pesar de esa libertad, es un hecho fácilmente comprobable que en un trozo de
metal cargado positivamente, los electrones no escapan espontáneamente del material; todo ello
significa que se encuentran obligados a permanecer dentro del metal, fluyendo libremente por su
interior pero retenidos por una BARRERA DE POTENCIAL existente en la superficie.
Para investigar la naturaleza de la barrera de potencial consideremos en primer lugar la interacción
de un electrón, de carga –e, con el resto del átomo, de carga + e. La energía potencial del
electrón en función de la distancia viene dada por:
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