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Technical Documents - Documentos Técnicos: Conceptos relacionados con la resistividad eléctrica. Tipos de Enlaces Químicos.
Ya sabemos que la resistividad de un material será función del tipo de material y de la temperatura a la que se encuentre el mismo. Pero ¿un aumento de temperatura significa siempre un aumento de la resistividad? Para responder a esta pregunta, primeramente veamos cómo se comporta la resistividad en función del tipo de material empleado.
Teóricamente existen dos posibilidades: coeficiente de temperatura positivo o coeficiente de temperatura negativo, ¿de qué dependerá su signo?:
Para explicar el signo del coeficiente de temperatura, previamente realizaremos un repaso a los tipos de enlace químico más importantes, ya que de su comprensión se obtendrán las respuestas buscadas.
Recordemos primeramente que la materia está formada por fibras homogéneas o heterogéneas. Cada una de estas fibras está formada, asimismo, por cristales de formas regulares, que a su vez, están formados por la unión de moléculas, las cuales se sitúan de forma ordenada formando las diversas figuras geométricas características del cristal. Finalmente, cada una de estas moléculas se formará por la unión de átomos que serán los encargados de proporcionar las características finales al material.
Estos átomos pueden unirse para formar las moléculas de formas muy distintas, aunque son tres los tipos de unión o enlaces más característicos: enlace metálico, enlace iónico y enlace covalente.
El átomo está formado por tres elementos básicos: neutrones, protones y electrones. La masa de los neutrones y los protones coincide (1.675e-27kg), mientras que la masa de los electrones es casi 1900 veces menos pesada (9.109e-31kg). Pero por el contrario, la carga eléctrica del neutrón, como su nombre indica, es nula, y aun con la diferencia de masa, el electrón dispone de la misma carga eléctrica que el protón (1.602e-19 coulombs), siendo positiva la carga del protón y negativa la del electrón.
Los átomos son en principio neutros; esto indica que contendrán el mismo número de electrones que de protones; así mismo, suele estar también compensado el número de neutrones con el de protones.
La disposición de estos elementos en el interior del átomo sigue unas características determinadas. En la periferia se situarán los electrones en movimiento formando orbitales, mientras que en la parte central existirá el núcleo formado por neutrones y protones estáticos. Los electrones se colocarán siempre en las proximidades del núcleo (por el principio de la mínima energía consumida), ocupando todos los espacios disponibles. Así se irán llenando, uno a uno, todos los orbitales del átomo (tipo S con 2e-, tipo P con 6e-, tipo D con 10e-, tipo F con 14e-, etc), empezando por los más próximos al núcleo, cada orbital lleno representará una capa estable difícil de separar, hasta completar el número final de electrones del átomo.
La última capa puede estar completamente llena o no de electrones. Para ser estable, esta capa debería contar con 8 electrones (regla del octete), si no dispone de este número, el átomo intentará conseguir electrones de los átomos vecinos o desprenderse de ellos para quedarse con la capa inmediatamente anterior que siempre estará llena, y será por tanto estable.
Esta última capa reviste gran importancia, ya que muchas de las propiedades eléctricas o mecánicas finales de los materiales dependerán de la misma.
a) Enlace metálico
El enlace metálico es la unión de dos átomos metálicos, es decir, átomos que en su última capa sólo disponen de uno o dos electrones libres; son los elementos de la primera columna de la tabla periódica (Li, Na, K, Rb, Cs, etc).
En este caso, cada átomo tiene dos opciones; apoderarse de los siete electrones que le faltan a su última capa para ser estable, o bien, dejar libre al único electrón que reside en ella. Como es natural la opción más sencilla es la última, así cada átomo dejará libre al electrón situado en su última capa, quedando el átomo estable al tener, sin este electrón, todas las capas completas. Pero al perder un electrón el átomo deja de ser neutro, eléctricamente hablando, ya que sin este electrón existe un exceso de un protón en cada átomo (ión+ catión), quedando el átomo cargado positivamente.
Todos los electrones libres están en movimiento formando una nube en torno a los núcleos que han abandonado, pero seguirán estando íntimamente ligados a ellos, ya que los núcleos han quedado cargados positivamente, y los electrones disponen de cargas negativas; ésta es la base del enlace metálico de la que se derivan todas sus propiedades.
Enlace metálico
En este enlace se darán una serie de propiedades que definirán su comportamiento final:
- Es un enlace duro. Existe unión molecular de unas cargas positivas (parte estática del átomo más todas las capas completas), con las cargas negativas (electrones libres que forman la nube alrededor de las cargas positivas).
- Posee brillo metálico. Se lo confiere el movimiento de estos electrones libres.
- Es un buen conductor. Estos electrones libres pueden transportar información (eléctrica, térmica, de vibraciones, etc), a través del material.
- Los materiales con enlace metálico son dúctiles y maleables. Si intentamos deformar un material de este tipo, al mover los átomos, la próxima posición que adopten los mismos no modificará su estado de unión electrostática, ya que seguirán existiendo cargas positivas (los núcleos de los átomos) en medio de la nube electrónica de cargas negativas (electrones). Es decir, con una deformación o torsión del material se seguirán manteniendo sus propiedades de unión; como máximo, los átomos quedarán más tensionados, lo que se conoce como efecto de acritud.
Enlace metálico sometido a una fuerza de deformación
Por último, cabe citar que en este tipo de materiales, al estar ya libres los electrones, si aumentamos la temperatura, lo único que se consigue es disminuir la conducción. Esto ocurre debido a que un aumento de temperatura significa un aumento de energía, que se traduce en una mayor velocidad de los electrones, que recordemos que ya estaban libres. Esto provoca choques más frecuentes entre ellos, aumento de la energía calorífica o Joule y menor conductividad. Ésta es la razón por la que un aumento de temperatura lleva implícitamente asociado un aumento del coeficiente de temperatura, y por tanto, una disminución de la conductividad, o lo que es lo mismo, un aumento de la resistividad.
Enlace metálico. Variación de la resistividad en función de la temperatura
Una representación simbólica de las bandas de energía características a este tipo de materiales es la siguiente:
Nótese que la banda prohibida, o salto energético a realizar por los electrones para estar libres, es mínima en este tipo de enlaces. La banda de conducción, por el contrario es extremadamente amplia.
b) Enlace iónico
El enlace iónico es la unión de dos átomos, uno metálico y uno no metálico. El átomo metálico dispone de un único electrón en su última capa, mientras que el átomo no metálico dispone de siete electrones en su última capa. Cabe recordar que los elementos no metálicos más característicos son los de la columna VII de la tabla periódica (F, Cl, Br, I, etc).
En este caso, la forma natural de intercambio de electrones será la siguiente. Al átomo metálico le sobra un electrón para quedar energéticamente estable, mientras que al átomo no metálico, con siete electrones en su última capa, le falta un electrón para completarla. Así, el átomo metálico perderá un electrón (quedará como ión+ o catión), mientras que el átomo no metálico captará este electrón (quedando como en ión- o anión). La unión estable está asegurada, pero esta vez al contrario que en el enlace metálico, no quedarán electrones libres en el enlace final.
La falta de electrones libres en el enlace determinará las propiedades de este tipo de materiales, siendo éstas muy distintas de las mencionadas para el enlace metálico.
- Es un enlace muy duro. Existe unión molecular de unas cargas positivas (átomos metálicos) con las cargas negativas (átomos no metálicos). Debe considerarse que todas las cargas son estáticas, con lo que el enlace resulta más fuerte que en el enlace metálico, en el cual unas cargas (los electrones) estaban móviles.
- No posee brillo metálico, ya que no existen electrones libres en movimiento que lo produzcan.
- Es un material aislante. Al no existir electrones libres, no hay posibilidad de transmitir ningún tipo de información (térmica, eléctrica, de vibración, etc) a través del material.
- Los materiales con enlace iónico son muy duros, pero frágiles. Si intentamos deformar un material de este tipo, al mover los átomos, la próxima posición que adopten los mismos modifica sustancialmente la clasificación de las cargas, ya que en este caso las cargas positivas se verán enfrentadas. Lo mismo ocurre con las negativas, convirtiéndose toda la fuerza de atracción que caracteriza al enlace en una fuerza de repulsión, lo que provoca su rotura inmediata. El vidrio y algunos plásticos son ejemplos de materiales con enlace iónico.
Enlace iónico sometido a una fuerza de deformación
Por último, cabe citar que en este tipo de materiales, al no estar libres los electrones, si aumentamos la temperatura lo único que se consigue es dificultar la poca o nula conducción existente, pero prácticamente ni se nota, ya que la resistividad ya es de por sí enormemente elevada.
Variación de la resistividad en función de la temperatura
Una representación simbólica de las bandas de energía características de este tipo de materiales es la siguiente:
Enlace iónico. Bandas energéticas
Nótese que la banda prohibida, o salto energético a realizar por los electrones para estar libres, es muy grande en este tipo de enlaces. La banda de conducción, por el contrario, es extremadamente pequeña, lo que indica que la conducción es prácticamente nula.
c) Enlace covalente
El enlace covalente es el tercer gran enlace químico. Se diferencia de los dos anteriores en que los materiales de este grupo (los situados en la parte central de la tabla periódica o columna IV, entre ellos el Si, Ge, C, Pb, St, etc, destacando el germanio o el silicio) disponen en la última capa de cuatro electrones. Esto provoca que les resulte indiferente perder o ganar los cuatro electrones que les sobran o faltan, respectivamente.
En este caso, la forma natural de intercambio de electrones es la siguiente: cada átomo de germanio o silicio no cede ni absorbe electrones con los átomos vecinos, sino que los comparte, llegando de esta forma a completar el número de electrones establecidos para la última capa, ocho. En definitiva es un enlace que comparte electrones con los átomos vecinos y por tanto ninguno de ellos queda libre para la conducción.
Enlace covalente
Como es de suponer, con estas condiciones de unión, no es un enlace muy duro, más bien lo contrario, ya que es fácilmente modificable, incluso variaciones de la temperatura ambiente consiguen romper el enlace parcialmente, permitiendo que algunos electrones queden libres y puedan iniciar la conducción.
Este es pues un enlace muy singular, ya que es como un promedio de los dos anteriores, se comporta como un aislante a temperaturas bajas y como un conductor cuando se le aplica energía extra, como por ejemplo con aumentos de su temperatura. Es por ello que los materiales formados con este enlace reciben el nombre de semiconductores. Veamos resumidas sus propiedades más importantes:
- Es un enlace frágil. Como hemos indicado, un simple aumento de la temperatura es suficiente para romper parcialmente el enlace.
- Posee un brillo mucho menor que los elementos metálicos, pero superior a los aislantes. La intensidad del brillo dependerá de la cantidad de enlaces rotos que existan.
- Es un material semiconductor. La existencia de electrones libres dependerá de la energía que se aplique al enlace, y con ello su capacidad de transmitir información (conducción electrónica).
- Los materiales con enlace covalente son materiales intermedios también en sus facetas de maleabilidad, dependiendo ésta de las condiciones en que se encuentre el enlace.
Si aumentamos la temperatura, se aumenta la energía entregada al enlace, por lo que la probabilidad de rotura de enlaces es mayor, y por consiguiente también será mayor el número de electrones libres. El valor del coeficiente de temperatura será en este caso negativo, influyendo en el comportamiento de la resistividad, que disminuirá al aumentar la temperatura, al contrario de lo que ocurría con los elementos metálicos
Variación de la resistividad en función de la temperatura
Una representación simbólica de las bandas de energía características de este tipo de materiales es la siguiente:
Enlace covalente. Bandas energéticas
La banda prohibida, o salto energético a realizar por los electrones para estar libres, es intermedia, lo que indica que para temperaturas altas el material se comportará como un conductor, mientras que para temperaturas bajas se asemejará a un aislante.
Existe la posibilidad de aumentar la conducción de los elementos formados con enlaces convalentes mediante la técnica del DOPADO.
Hay dos formas de dopado: dopar con elementos pentavalentes (con 5 electrones en la última capa) o con elementos trivalentes (con 3 electrones en la última capa).
• Dopado pentavalente: consiste en mezclar átomos de fósforo, elemento pentavalente, con átomos de silicio. Una vez completada la mezcla, se forma el enlace covalente, pero por cada átomo de silicio (con 4 electrones en la última capa) que haya combinado con un átomo de fósforo (con 5 electrones en la última capa), quedará un electrón libre, al sólo poderse combinar cuatro electrones quedando el material cargado negativamente por el exceso de electrones y denominándose de tipo N.
• Dopado trivalente: consiste en mezclar átomos de boro, elemento trivalente, con átomos de silicio.
Una vez completada la mezcla, se forma el enlace covalente, pero por cada átomo de silicio (con 4 electrones en la última capa) que se haya combinado con un átomo de boro (con 3 electrones en la última capa), quedará un hueco libre, al sólo poderse combinar tres electrones. El material quedará cargado positivamente por el exceso de huecos y se denominará de tipo P.
Es decir, el dopado consiste en añadir electrones o huecos con el fin de aumentar las características conductoras de los materiales covalentes con este aporte auxiliar de impurezas.
A los materiales no dopados se les conoce como semiconductores intrínsecos, mientras que los que han sufrido algún tipo de dopado, son semiconductores extrínsecos.
La unión de dos materiales, uno de tipo “N” y uno de tipo “P”, fue el primer elemento electrónico construido el diodo. Si la unión se realiza con tres materiales, podemos construir un transistor.
Unión de materiales tipo N y P. Diodo y transistor
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