Metales y Metalurgia Brown_5728649582b8693926b2e7bb427358c5

23.6 Aleaciones 933
Energía
(a) (b) (c)
Á Figura 23.16 Efecto del dopaje en la ocupación de los
niveles energéticos permisibles del silicio. (a) Silicio puro.
Los electrones de la capa de valencia llenan exactamente la
banda de energía permisible de menor energía. (b) Silicio
dopado con fósforo. Los electrones en exceso ocupan los
orbitales de más baja energía en la banda de mayor energía de
las energías permisibles. Estos electrones conducen la corriente.
(c) Silicio dopado con galio. No hay electrones suficientes para
ocupar totalmente los orbitales de la banda permisible de
menor energía. La presencia de orbitales desocupados en esta
banda permite el flujo de corriente.
de electrones para llenar las bandas de valencia. Considérese lo que
le ocurre al silicio cuando se le agrega una pequeña cantidad del fósforo
u otro elemento del grupo 5A. Los átomos de fósforo toman el
lugar de los átomos de silicio en puntos al azar de la estructura. Sin
embargo, el fósforo posee cinco electrones de capa de valencia por
átomo, en comparación con los cuatro del silicio. No hay espacio para
estos electrones adicionales en la banda de valencia; por tanto, deben
ocupar la banda de conducción, como se ilustra en la figura 23.16 ¥.
Estos electrones de mayor energía tienen acceso a muchos orbitales
desocupados dentro de la banda de energía en la que se alojan, y sirven
como portadores de corriente eléctrica [Figura 23.16(b)]. El silicio
dopado con fósforo de esta manera se describe como un semiconductor
de tipo n, porque este dopaje introduce cargas negativas
adicionales (electrones) en el sistema.
Si se dopa el silicio con un elemento del grupo 3A, como el galio,
los átomos de Ga que sustituyen al silicio tienen un electrón menos
para satisfacer el enlace con los cuatro átomos de silicio vecinos.
En consecuencia, la banda de valencia no se llena totalmente, como
se ilustra en la figura 23.16(c). Al aplicar un campo, los electrones
pasan de los orbitales moleculares ocupados a los pocos que están vacíos
en la banda de valencia. Un semiconductor formado dopando
silicio con un elemento del grupo 3A se describe como un semiconductor
de tipo p porque esta adulteración crea vacantes electrónicas
que se pueden concebir como huecos positivos en el sistema. La industria
electrónica moderna se basa en el uso de circuitos integrados
formados de silicio o germanio dopado con diversos elementos
para crear las características electrónicas deseadas (Figura 23.17 ¥).
« Figura 23.17 Los
semiconductores hacen
posible una formidable
miniaturización de los
dispositivos electrónicos,
como lo ilustra esta
computadora de mano.
y dejar vacíos los orbitales de antienlace metal-metal. Los metales con un número menor
de electrones que los metales del grupo 6B tienen menos orbitales de enlace
metal-metal ocupados. Los metales con un número mayor de electrones que los metales
del grupo 6B tienen más orbitales de antienlace metal-metal ocupados. En ambos
casos los enlaces metal-metal deben ser más débiles que los de los metales del
grupo 6B, de acuerdo con las tendencias de punto de fusión y de otras propiedades.
Otros factores además del número de electrones (por ejemplo, el radio atómico, la carga
nuclear y la estructura de empaquetamiento específica del metal) también desempeñan
un papel importante en la determinación de las propiedades de los metales.
El modelo de orbitales moleculares del enlace metálico (o teoría de bandas, como
también se le llama) no es tan diferente del modelo de mar de electrones en algunos
aspectos. En ambos modelos los electrones tienen libertad para moverse por todo el
sólido. Sin embargo, el modelo de orbitales moleculares es más cuantitativo que
el sencillo modelo de mar de electrones, de modo que muchas propiedades de los metales
se explican mediante cálculos de mecánica cuántica con base en la teoría de orbitales
moleculares.
23.6 Aleaciones
Una aleación es un material que contiene más de un elemento y presenta las propiedades
características de los metales. La aleación de metales tiene gran importancia
porque es uno de los medios principales para modificar las propiedades de los elementos
metálicos puros. Por ejemplo, en casi todos los usos ordinarios del hierro intervienen
aleaciones. Por otra parte, el oro puro es demasiado blando para ser usado