Los sólidos pueden dividirse en dos categorías: Cristalinos y Amorfos. Un sólido cristalino; es aquel cuyos átomos, iones o moléculas constituyentes están ordenados en disposiciones bien definidas; mientras que en los sólidos amorfos, las partículas que las constituyen, no poseen un ordenamiento definido.
Los Sólidos Cristalinos.
La estructura interna de estos tipos de sólidos se puede imaginar como una pared formada por ladrillos, los cuales son exactamente iguales y poseen exactamente las mismas características de la totalidad de la pared.
Esos ladrillos se denominan Celdas Unitarias. La celda unitaria es la unidad básica repetitiva de la disposición de átomos o moléculas de un sólido cristalino. La estructura tridimensional de un sólido cristalino puede representarse como una matriz tridimensional de puntos de red. Tal matriz se denomina Red Cristalina.
Los Sólidos Cristalinos.
La estructura interna de estos tipos de sólidos se puede imaginar como una pared formada por ladrillos, los cuales son exactamente iguales y poseen exactamente las mismas características de la totalidad de la pared.
Esos ladrillos se denominan Celdas Unitarias. La celda unitaria es la unidad básica repetitiva de la disposición de átomos o moléculas de un sólido cristalino. La estructura tridimensional de un sólido cristalino puede representarse como una matriz tridimensional de puntos de red. Tal matriz se denomina Red Cristalina.
Las celdas unitarias pueden describirse en términos de ángulos entre las aristas y longitudes de las aristas. Cada sólido se describe en términos de uno de los siguientes tipos de celdas unitarias: cúbico simple, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico, monoclínico, triclínico y hexagonal.
Tipos de Sólidos Cristalinos
Las estructuras y propiedades de los cristales están determinadas por la clase de fuerzas que mantiene las partículas juntas. Se pueden clasificar cualquier cristal como uno de los cuatro tipos; Iónico, Covalente, Molecular y Metálico.
Sólidos Iónicos: consisten en iones que se mantienen unidos por enlaces iónicos. La fuerza de un enlace iónico depende en gran medida de la carga de los iones. Ejemplo: el NaCl, que contiene iones de carga +1 y -1, posee un punto de fusión de 801 ºC, mientras que el MgO en el que las cargas con -2 y +2, se funden a 2852 ºC.
La estructura que un sólido iónico adopta, depende en gran parte de las cargas y los tamaños relativos de los iones. En la estructura del CsCl, cada Ion Cs+ está rodeado por ocho iones de Cl-, esto debido a que el Cs+ es un catión relativamente grande. En la estructura del ZnS los iones del S2- adoptan un acomodo cúbico centrado en la cara, con los iones Zn2+, que son mas pequeños, dispuestos de modo que cada uno está rodeado por cuatro iones S2- que forman un tetraedro. El CuCl también adopta esta estructura. En la estructura de CaF2, los iones Ca2+ aparecen en un acomodo cúbico centrado en la cara. Tal como lo exige la formula química de la sustancia, hay dos veces mas iones F- en la celda unitaria que Ca2+. Los iones F- están rodeados tetraédricamente por cuatro iones Ca2+. Los compuestos como el SrF2, BaF2, BaCl2 y PbF2 también tienen esta estructura.
· Sólidos Covalentes: consisten en átomos unidos en grandes redes o cadenas mediante enlaces covalentes. Puestos que los enlaces covalentes son muy fuertes, estos sólidos son muy duros y con altos puntos de fusión. Dos de los ejemplos más comunes son el diamante y el grafito ambos constituidos por enlaces sencillos entre carbono-carbono.
En el diamante cada átomo está unido a otros cuatros átomos de carbono. Esta matriz tridimensional contribuye a la inusitada dureza de este sólido y un punto de fusión de 3550 ºC.
En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados. Cada carbono está unido a otros tres de la capa. Las capas de anillos se mantienen unidas por débiles fuerzas de dispersión, lo que hace que se deslicen fácilmente una sobre otras cuando se frotan, lo que da a la sustancia una sensación grasosa.
Las estructuras y propiedades de los cristales están determinadas por la clase de fuerzas que mantiene las partículas juntas. Se pueden clasificar cualquier cristal como uno de los cuatro tipos; Iónico, Covalente, Molecular y Metálico.
Sólidos Iónicos: consisten en iones que se mantienen unidos por enlaces iónicos. La fuerza de un enlace iónico depende en gran medida de la carga de los iones. Ejemplo: el NaCl, que contiene iones de carga +1 y -1, posee un punto de fusión de 801 ºC, mientras que el MgO en el que las cargas con -2 y +2, se funden a 2852 ºC.
La estructura que un sólido iónico adopta, depende en gran parte de las cargas y los tamaños relativos de los iones. En la estructura del CsCl, cada Ion Cs+ está rodeado por ocho iones de Cl-, esto debido a que el Cs+ es un catión relativamente grande. En la estructura del ZnS los iones del S2- adoptan un acomodo cúbico centrado en la cara, con los iones Zn2+, que son mas pequeños, dispuestos de modo que cada uno está rodeado por cuatro iones S2- que forman un tetraedro. El CuCl también adopta esta estructura. En la estructura de CaF2, los iones Ca2+ aparecen en un acomodo cúbico centrado en la cara. Tal como lo exige la formula química de la sustancia, hay dos veces mas iones F- en la celda unitaria que Ca2+. Los iones F- están rodeados tetraédricamente por cuatro iones Ca2+. Los compuestos como el SrF2, BaF2, BaCl2 y PbF2 también tienen esta estructura.
· Sólidos Covalentes: consisten en átomos unidos en grandes redes o cadenas mediante enlaces covalentes. Puestos que los enlaces covalentes son muy fuertes, estos sólidos son muy duros y con altos puntos de fusión. Dos de los ejemplos más comunes son el diamante y el grafito ambos constituidos por enlaces sencillos entre carbono-carbono.
En el diamante cada átomo está unido a otros cuatros átomos de carbono. Esta matriz tridimensional contribuye a la inusitada dureza de este sólido y un punto de fusión de 3550 ºC.
En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados. Cada carbono está unido a otros tres de la capa. Las capas de anillos se mantienen unidas por débiles fuerzas de dispersión, lo que hace que se deslicen fácilmente una sobre otras cuando se frotan, lo que da a la sustancia una sensación grasosa.
· Sólidos Moleculares: consisten en átomos o moléculas unidos por fuerzas intermoleculares (Fuerzas Dipolo-dipolo, Fuerzas de Dispersión de Londón, etc.). Dado que estas fuerzas son muy débiles, los sólidos moleculares son blandos. Suelen tener puntos de ebullición bajos (por lo regular menor a 200 ºC). Casi todas las sustancias que son gases o líquidos a temperatura ambiente, forman sólidos moleculares a temperaturas baja. Ejemplo: Ar, H2O y CO2.
· Sólidos Metálicos: consisten exclusivamente en átomos de metal. Los sólidos metálicos suelen tener estructuras de empaquetamiento compacto hexagonal o cúbicos (cúbica centrada en las caras) o cúbicas centradas en el cuerpo.
Los enlaces metálicos son muy fuertes debido a la deslocalización de los electrones de valencia a lo lardo del sólido.
Los metales varían considerablemente en cuanto a la fuerza que los une como se pone de manifiesto su amplia gama de propiedades físicas, como dureza y punto de fusión.
· Sólidos Metálicos: consisten exclusivamente en átomos de metal. Los sólidos metálicos suelen tener estructuras de empaquetamiento compacto hexagonal o cúbicos (cúbica centrada en las caras) o cúbicas centradas en el cuerpo.
Los enlaces metálicos son muy fuertes debido a la deslocalización de los electrones de valencia a lo lardo del sólido.
Los metales varían considerablemente en cuanto a la fuerza que los une como se pone de manifiesto su amplia gama de propiedades físicas, como dureza y punto de fusión.
Los Sólidos Amorfos
Se dice que los sólidos que no son cristalinos es estructuras son amorfos. Entre los sólidos amorfos están el hule y el vidrio.
El cuarzo, SiO2, es un sólido cristalino con una estructura tridimensional muy ordenada. Cuando se funde (a 1600ºC), se convierte en un liquido viscoso y pegajoso. Aunque la red de silicio-oxigeno permanece casi intacta, se rompen muchos enlaces Si-O y se pierde el orden rígido del cuarzo. Si el material fundido se enfría rápidamente, los átomos no alcanzan a recuperar su acomodo ordenado, el resultado es un sólido amorfo llamado Vidrio de Cuarzo. (figura)
Dado que las partículas de un sólido amorfo carecen de un orden a lo largo del sólido, la intensidad de las fuerzas moleculares varíe de un punto a otro en una muestra. Por ello, los sólidos amorfos no funden a una temperatura específica más bien, se reblandecen dentro de un intervalo de temperatura a medida que se venden las fuerzas intermoleculares de diferentes intensidades.
Semiconductores
Debido a la cercanía de los orbítales de la capa mas externa de los átomos de un metal en un sólido, estos se trasladan formando nuevos orbítales llamados Orbítales Moleculares, pues como el conjunto de orbítales moleculares se hace mayor que los que se necesitan para albergar a los electrones, algunos quedan vacíos. Pero en mayor presencia de un potencial eléctrico, estos electrones pueden pasar de los orbítales a los vacíos conduciendo electricidad. Esta capa de orbítales llenos se llama Banda de Valencia, mientras que la capa vacía se llama Banda de Conductividad.
Estamos ahora en condiciones de definir los distintos tipos de materiales de acuerdo a sus propiedades de trasporte de corriente eléctrica:
• Conductor es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico vacío se encuentra inmediatamente adyacente a la energía del último estado electrónico ocupado. En otros términos, un conductor es un material en el cual la última banda ocupada no está completamente llena.
• Aislador es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico vacío se encuentra separada, por una brecha finita, de la energía del último estado electrónico ocupado.
• Semiconductor es un material aislador en que el ancho de banda prohibida es menor que 1eV.
Un ejemplo de aislante es el diamante. Los orbítales 2s y 2p del carbono se combinan para formar dos bandas de energía cada una para albergar cuatro electrones del carbono. Una de ellas está totalmente vacía y la otra llena. Existe una diferencia grande de energía entre las dos bandas y puesto que no hay orbítales libres, los electrones no pueden pasar de una banda a otra, por lo cual, el diamante no conduce electricidad
La estructura electrónica del silicio y el germanio es similar a la del carbono, sin embargo la diferencia de energía entre las bandas se hace menor del Si al Ge. Para estos, la diferencia de energía es lo suficientemente pequeña como para que a temperaturas ordinarias, unos cuantos electrones tengan la energía necesaria para saltar de una banda llena a una vacía, en consecuencia hay cierta conducción de electricidad, y se denominan Semiconductores.
Semiconductores extrínsecos
Hasta ahora sólo hemos hablado acerca de materiales semiconductores naturales, los que definimos como aisladores de banda prohibida angosta; ellos reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. Sin embargo, existe la posibilidad de diseñar y fabricar materiales con características eléctricas específicas “a la medida” agregando, de manera controlada, impureza a semiconductores. Este proceso de introducción de impurezas extrañas se denomina dopado.
Consideremos los efectos de estas impurezas en el silicio (Si), uno de los semiconductores de uso más frecuente. La configuración electrónica del Si es [Ne ] 3s2 3p2 de modo que tiene cuatro electrones de valencia. Si se remplaza algunos de los átomos de Si por átomos de fósforo (P) que tienen cinco electrones de valencia y cuya configuración electrónica es [Ne ] 3s2 3p3:
· Por cada átomo de P que se agrega aparece un estado electrónico nuevo y adicional en la banda prohibida. Este nivel se ubica justo por debajo de la banda de conducción del Si.
Cada átomo de P utiliza cuatro de sus cinco electrones de valencia para formar enlaces con cuatro átomos de Si vecinos, quedando un electrón extra que necesita liberar para alcanzar su configuración más estable de ocho electrones. La energía térmica es suficiente para que el electrón extra sea transferido a la banda de conducción dejando atrás un ión positivo + P inmóvil.
· Los átomos de P se llaman átomos dadores, y la conductividad eléctrica en este tipo de semiconductores implica fundamentalmente movimiento de electrones procedentes de los átomos dadores a través de la banda de conducción. Este tipo de semiconductores se denomina de tipo-n, donde n se refiera a negativo, el tipo de carga eléctrica que transportan los electrones.
Reemplacemos ahora algunos átomos de Si por átomos de aluminio (Al) cuya configuración electrónica es [Ne] 3s2 3p1 de manera que tiene tres electrones de valencia.
· Por cada átomo de Al que se agrega aparece un estado electrónico nuevo que se encuentra justo por encima de la banda de valencia del Si.
· Cada átomo de Al utiliza sus tres electrones de valencia para formar enlaces con tres átomos de Si vecinos. La capa externa del Al tratará de capturar un electrón extra de la banda de valencia para conformar una capa estable de ocho electrones.
· Un electrón se trasfiere con facilidad desde la banda de valencia hasta el nivel aceptor formando un ión negativo inmóvil. Cuando esto ocurre, se crea una vacante positiva en la banda de valencia. Debido a que en este tipo de semiconductores la conductividad eléctrica consiste fundamentalmente en la transferencia de vacantes positivas, se les denomina semiconductores de tipo-p.
Se dice que los sólidos que no son cristalinos es estructuras son amorfos. Entre los sólidos amorfos están el hule y el vidrio.
El cuarzo, SiO2, es un sólido cristalino con una estructura tridimensional muy ordenada. Cuando se funde (a 1600ºC), se convierte en un liquido viscoso y pegajoso. Aunque la red de silicio-oxigeno permanece casi intacta, se rompen muchos enlaces Si-O y se pierde el orden rígido del cuarzo. Si el material fundido se enfría rápidamente, los átomos no alcanzan a recuperar su acomodo ordenado, el resultado es un sólido amorfo llamado Vidrio de Cuarzo. (figura)
Dado que las partículas de un sólido amorfo carecen de un orden a lo largo del sólido, la intensidad de las fuerzas moleculares varíe de un punto a otro en una muestra. Por ello, los sólidos amorfos no funden a una temperatura específica más bien, se reblandecen dentro de un intervalo de temperatura a medida que se venden las fuerzas intermoleculares de diferentes intensidades.
Semiconductores
Debido a la cercanía de los orbítales de la capa mas externa de los átomos de un metal en un sólido, estos se trasladan formando nuevos orbítales llamados Orbítales Moleculares, pues como el conjunto de orbítales moleculares se hace mayor que los que se necesitan para albergar a los electrones, algunos quedan vacíos. Pero en mayor presencia de un potencial eléctrico, estos electrones pueden pasar de los orbítales a los vacíos conduciendo electricidad. Esta capa de orbítales llenos se llama Banda de Valencia, mientras que la capa vacía se llama Banda de Conductividad.
Estamos ahora en condiciones de definir los distintos tipos de materiales de acuerdo a sus propiedades de trasporte de corriente eléctrica:
• Conductor es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico vacío se encuentra inmediatamente adyacente a la energía del último estado electrónico ocupado. En otros términos, un conductor es un material en el cual la última banda ocupada no está completamente llena.
• Aislador es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico vacío se encuentra separada, por una brecha finita, de la energía del último estado electrónico ocupado.
• Semiconductor es un material aislador en que el ancho de banda prohibida es menor que 1eV.
Un ejemplo de aislante es el diamante. Los orbítales 2s y 2p del carbono se combinan para formar dos bandas de energía cada una para albergar cuatro electrones del carbono. Una de ellas está totalmente vacía y la otra llena. Existe una diferencia grande de energía entre las dos bandas y puesto que no hay orbítales libres, los electrones no pueden pasar de una banda a otra, por lo cual, el diamante no conduce electricidad
La estructura electrónica del silicio y el germanio es similar a la del carbono, sin embargo la diferencia de energía entre las bandas se hace menor del Si al Ge. Para estos, la diferencia de energía es lo suficientemente pequeña como para que a temperaturas ordinarias, unos cuantos electrones tengan la energía necesaria para saltar de una banda llena a una vacía, en consecuencia hay cierta conducción de electricidad, y se denominan Semiconductores.
Semiconductores extrínsecos
Hasta ahora sólo hemos hablado acerca de materiales semiconductores naturales, los que definimos como aisladores de banda prohibida angosta; ellos reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. Sin embargo, existe la posibilidad de diseñar y fabricar materiales con características eléctricas específicas “a la medida” agregando, de manera controlada, impureza a semiconductores. Este proceso de introducción de impurezas extrañas se denomina dopado.
Consideremos los efectos de estas impurezas en el silicio (Si), uno de los semiconductores de uso más frecuente. La configuración electrónica del Si es [Ne ] 3s2 3p2 de modo que tiene cuatro electrones de valencia. Si se remplaza algunos de los átomos de Si por átomos de fósforo (P) que tienen cinco electrones de valencia y cuya configuración electrónica es [Ne ] 3s2 3p3:
· Por cada átomo de P que se agrega aparece un estado electrónico nuevo y adicional en la banda prohibida. Este nivel se ubica justo por debajo de la banda de conducción del Si.
Cada átomo de P utiliza cuatro de sus cinco electrones de valencia para formar enlaces con cuatro átomos de Si vecinos, quedando un electrón extra que necesita liberar para alcanzar su configuración más estable de ocho electrones. La energía térmica es suficiente para que el electrón extra sea transferido a la banda de conducción dejando atrás un ión positivo + P inmóvil.
· Los átomos de P se llaman átomos dadores, y la conductividad eléctrica en este tipo de semiconductores implica fundamentalmente movimiento de electrones procedentes de los átomos dadores a través de la banda de conducción. Este tipo de semiconductores se denomina de tipo-n, donde n se refiera a negativo, el tipo de carga eléctrica que transportan los electrones.
Reemplacemos ahora algunos átomos de Si por átomos de aluminio (Al) cuya configuración electrónica es [Ne] 3s2 3p1 de manera que tiene tres electrones de valencia.
· Por cada átomo de Al que se agrega aparece un estado electrónico nuevo que se encuentra justo por encima de la banda de valencia del Si.
· Cada átomo de Al utiliza sus tres electrones de valencia para formar enlaces con tres átomos de Si vecinos. La capa externa del Al tratará de capturar un electrón extra de la banda de valencia para conformar una capa estable de ocho electrones.
· Un electrón se trasfiere con facilidad desde la banda de valencia hasta el nivel aceptor formando un ión negativo inmóvil. Cuando esto ocurre, se crea una vacante positiva en la banda de valencia. Debido a que en este tipo de semiconductores la conductividad eléctrica consiste fundamentalmente en la transferencia de vacantes positivas, se les denomina semiconductores de tipo-p.
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