Conductores, semiconductores y aislantes. Teoría de ban… — Transcript

Hola, en este vídeo te voy a explicar de una forma sencilla la diferencia entre las sustancias que conducen la corriente eléctrica, las sustancias que llamamos conductoras, las semiconductoras y las aislantes.

Y lo haremos utilizando la teoría de bandas, sabemos que esto puede explicarse en niveles superiores de una forma más compleja, utilizando la teoría de orbitales moleculares.

Pero nosotros nos vamos a limitar a la teoría de bandas que nos sirve muy bien para explicar también el enlace metálico y entonces vamos a empezar con un ejemplo sencillo.

Que es, por ejemplo, con el metal el litio, y vamos a ver cuál es su distribución electrónica, la distribución electrónica del litio que tiene número atómico 3 es simplemente 1s2, 2s1.

Si represento aquí los niveles de energía del litio y cómo se van llenando, nosotros sabemos siempre que los electrones al ir llenando los niveles energéticos ocupan primero los niveles de menor energía.

Por eso, aquí están los de menor energía y más arriba cada vez niveles con más energía, entonces el nivel 1s en el litio está lleno, tiene sus dos electrones y el nivel 2s en el litio está semilleno.

Ahora, cuando se forme una red metálica de litio, ahí lo que voy a tener es muchísimos, realmente millones de átomos de litio formando una única red.

Y entonces no tendré un solo nivel 1s, sino que tendré muchísimos niveles 1s pertenecientes a los muchísimos átomos de litio que tendrán todos energía muy parecida.

Y entonces, ¿qué es lo que hago? En vez de poner una rayita de una única energía o muchísimas líneas, lo que se hace es representar esto como una banda, entonces esto es lo que nos dice la teoría de bandas, esta banda 1s que estaría totalmente llena de electrones estaría compuesta por el orbital molecular formado cuando todos los orbitales atómicos de cada uno de los átomos de litio se unen para dar orbitales moleculares.

Entonces, las bandas que están totalmente llenas son bandas más interiores, no nos interesan mucho, las bandas que nos interesan son las bandas que están en el último nivel.

En este caso, en el litio, esta banda 2s está medio lleno, porque tiene la capacidad de electrones a la mitad y la banda 2p está totalmente vacía.

Pues, común para todos los casos, a esta banda, la última en la que tengo electrones, a esta la llamamos banda de valencia, es en la que están los últimos electrones colocados y a la primera que está sin completar la vamos a llamar banda de conducción, los electrones pueden moverse por la banda de conducción, por aquella que esté vacía, que está a la misma energía que la banda de valencia.

Y algo que tengo que saber muy importante es que para que se conduzca la corriente eléctrica, los electrones tienen que poder moverse y para moverse, los electrones tienen que pasar del orbital de un átomo al de otro, ir pasando de uno a otro y es donde se mueven y solo se pueden mover por las zonas en las que estén las bandas vacías, por eso esta primera banda vacía es a la que se llama banda de conducción, los electrones pueden moverse por la banda de conducción, por aquella que esté vacía, que está a la misma energía que la banda de valencia.

Vamos a ver otro caso con otro metal para que veamos también esta misma circunstancia, por ejemplo, en el caso del magnesio, el magnesio número atómico 12, 1s2, 2s2, 2p6, 3s2.

Representamos solo las bandas del último nivel, que es donde pueden pasar cosas, en ese último nivel el magnesio tiene el nivel 3s y el nivel 3p que estaría compuesto por tres orbitales, este nivel 3s tiene sus dos electrones y está lleno, esta sería su banda de valencia, totalmente llena.

Cuando hago el orbital molecular correspondiente a los orbitales 3p, me va a generar una banda, en este caso esta es la banda de conducción que está justamente pegada a la banda de valencia, entonces el magnesio por qué es muy buen conductor de la corriente eléctrica, porque la banda de conducción está justo pegada a la banda de valencia y los electrones pasan fácilmente aquí y por aquí pueden moverse a lo largo de la red, porque necesitan orbitales vacíos para poder desplazarse y estos orbitales vacíos están justo pegados en energía al orbital que está lleno, que es el orbital de valencia, orbital de conducción libre, orbital de valencia lleno.

Y así será como en general vamos a distinguir las sustancias que conducen la corriente eléctrica, son aquellas en las que la banda de valencia está justo pegada a la banda de conducción y las sustancias aislantes en cambio serán aquellas en las que su banda de valencia llena está a una distancia muy grande de la banda de conducción, a esta distancia tan grande, por cierto, suele llamarse gap, hay un gap o un salto de energía muy grande entre la banda de valencia totalmente llena y la banda de conducción por la que podrían moverse.

Pero qué ocurre, que tengo también un caso intermedio que es muy interesante, ese caso intermedio es cuando la banda de valencia llena está a muy poca distancia de la banda de conducción, cuando este gap es muy pequeño, los electrones necesitan un estímulo muy pequeño para pasar a la banda de conducción y convertir esa sustancia en conductora y esto es lo que se llaman los semiconductores, estos son conductores, estos son aislantes y estos son semiconductores, con un pequeño estímulo pueden conseguir que los electrones pasen al nivel superior y entonces conduzcan la corriente eléctrica, este estímulo puede ser aumentar la temperatura, puede ser iluminarlos con luz de determinada longitud de onda y en esas condiciones conducen la corriente eléctrica.

Cuáles son las sustancias que tienen esta característica de semiconductores, pues muchos de estos elementos que están entre ser metal y no, los semimetales, principalmente y con muchísimo interés económico, el silicio y el germanio, entre las aplicaciones de los semiconductores más importantes, están en el ámbito de la electrónica, el crear los microchips, los microchips que son el cerebro de los ordenadores, están formados por semiconductores fundamentalmente de silicio, también las válvulas que se usaban en electrónica, también son aplicaciones de los semiconductores, las placas solares fotovoltaicas, incluso los sensores que se utilizan para detectar gases contaminantes en los tubos en los tubos de escape de los coches, también están hechos con estas sustancias sumamente importantes.

Pues eso es todo, espero que te haya quedado claro esta diferencia entre conductor, semiconductor y aislante en función de la distancia que pueda haber gap entre la banda de valencia totalmente llena y la banda de conducción por la que deberían desplazarse esos electrones, tienes un montón de ejemplos más de preguntas de teoría sobre enlace químico y problemas de química y matemáticas en general en los enlaces del canal, hasta pronto.