10: Propiedades Electrónicas de Materiales - Superconductores y Semiconductores
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Objetivos de aprendizaje
- Explicar las bases físicas de los modelos Hubbard y Mott de transiciones metal-aislantes.
- Entender por qué los buenos superconductores derivan de metales malos.
- Conocer las estructuras y tendencias periódicas en brechas de banda y colores de semiconductores.
- Obtener el intervalo de banda de un semiconductor intrínseco a partir de la dependencia de la temperatura de la conductividad.
- Predecir el tipo de dopaje cuando se introducen impurezas o defectos en un semiconductor.
- Correlacionar la imagen de la banda y el nivel de Fermi con dopaje tipo n o p.
- Comprender los principios físicos de funcionamiento de diodos, ledes, células solares y FET.
- Explicar las diferencias en estructuras y propiedades electrónicas de semiconductores cristalinos y amorfos.
El modelo de banda (como la teoría MO) se basa en un modelo de un electrón. Esta fue una aproximación que hicimos al comienzo de nuestra discusión sobre la teoría MO: utilizamos soluciones similares a hidrógeno (un electrón) a la ecuación de Schrödinger para darnos las formas de los orbitales atómicos s, p, d y f. En un átomo de un electrón, estos orbitales están degenerados dentro de una capa dada, y las diferencias de energía entre, por ejemplo, los orbitales 2s y 2p surgen solo cuando consideramos la energía de un electrón en el campo de otros electrones en el átomo. Pasando de átomos a moléculas, hicimos combinaciones lineales para generar orbitales moleculares de un electrón (y, en sólidos, bandas de energía de un electrón). Pero como en los átomos de múltiples electrones, la vida no es tan sencilla para moléculas y sólidos reales que contienen muchos electrones. Los electrones se repelen entre sí y así se correlaciona su movimiento en moléculas y en sólidos.
- 10.1: Preludio a las Propiedades Electrónicas de Materiales - Superconductores y Semiconductores
- Los efectos de electrones correlacionados dan lugar a transiciones metal-aislantes que son impulsadas por pequeños cambios en la temperatura, presión o composición, así como a la superconductividad, el paso de corriente con resistencia cero a bajas temperaturas. En este capítulo desarrollaremos algunos modelos sencillos para entender estas interesantes e importantes propiedades electrónicas de los sólidos.
- 10.2: Transiciones Metal-Aislante
- Bajo temperaturas y presiones experimentalmente accesibles, Si y Ge son siempre semiconductores (es decir, aislantes), y el Pb siempre es metálico. ¿Por qué Sn es diferente? La razón tiene que ver con el solapamiento orbital. La teoría nos dice de hecho que cualquier (y todos) aislantes deben volverse metálicos a una presión suficientemente alta, o más al punto, a una densidad suficientemente alta. Para la mayoría de los aislantes, sin embargo, las presiones requeridas van mucho más allá de las que podemos lograr en el laboratorio.
- 10.3: Superconductores
- El fenómeno de la superconductividad, descubierto por primera vez en Hg metal en 1911 por Onnes, continúa siendo comprendido sólo parcialmente. Es de gran interés para los físicos como fenómeno cuántico macroscópico, y para los químicos y científicos de materiales que intentan hacer mejores superconductores (especialmente aquellos que superconducen a temperaturas más altas) y dispositivos derivados de ellos, como los dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID), que son magnetómetros extremadamente sensibles.
- 10.5: Semiconductores - Separaciones de Banda, Colores, Conductividad y Dopaje
- Hay una serie de lugares donde encontramos semiconductores en la tabla periódica.
- 10.7: Diodos, LEDs y Células Solares
- Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos actúan como rectificadores en circuitos electrónicos, y también como emisores de luz eficientes (en LEDs) y células solares (en fotovoltaica). La estructura básica de un diodo es una unión entre un semiconductor de tipo p y un semiconductor de tipo n, llamada unión p-n. Típicamente, los diodos están hechos de un solo cristal semiconductor en el que se introducen dopantes p y n.
- 10.8: Semiconductores amorfos
- Los semiconductores amorfos son formas desordenadas o vítreas de materiales semiconductores cristalinos con estructuras de red que involucran principalmente enlaces covalentes. El silicio cristalino, que tiene la estructura de diamante, es una disposición ordenada de anillos de silicio fusionados de seis miembros y el entorno de unión local de los átomos de silicio es tetraédrico. Los átomos de silicio en el silicio amorfo (a-Si) también están coordinados predominantemente tetraédricamente, pero no hay un orden de largo alcance en la estructura.