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Semiconductor


Un semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre.

Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente.



Elemento

Grupo

Electrones en
la última capa


Cd

II A

2 e-

Al, Ga, B, In

III A

3 e-

Si, Ge

IV A

4 e-

P, As, Sb

V A

5 e-

Se, Te, (S)

VI A

6 e-

El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd).

De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre.

La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s2p2.

Bandas de energía


Supongamos una red cristalina formada por átomos de silicio (o cualquier mezcla de las mencionadas).

Cuando los átomos están aislados, el orbital s (2 estados con dos electrones) y el orbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrán una cierta energía Es y Ep respectivamente (punto A).

A medida que disminuye la distancia interatómica comienza a observarse la interacción mutua entre los átomos, hasta que ambos orbitales llegan a formar, por la distorsión creada, un sistema electrónico único.

En este momento tenemos 8 orbitales híbridos sp3 con cuatro electrones y cuatro vacantes (punto B).

Si se continua disminuyendo la distancia interatómica hasta la configuración del cristal, comienzan a interferir los electrones de las capas internas de los átomos, formándose bandas de energía (punto C).

Las tres bandas de valores que se pueden distinguir son :



  1. Banda de Valencia. 4 estados, con 4 electrones.

  2. Banda Prohibida. No puede haber electrones con esos valores de energía en el cristal.

  3. Banda de Conducción. 4 estados, sin electrones.


Conductividad eléctrica del cristal


Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones en la capa de conducción, así podemos considerar tres situaciones:

  • Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.

  • Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

  • Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura.

Tipos de semiconductores


Semiconductores intrínsecos

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad.

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1).

Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,1 y 0,72 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía.

A este fenómeno, se le denomina recombinación.

Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable.

Siendo n la concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura.

Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas.

Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.


Semiconductores extrínsecos


Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, le añadimos un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.

Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al corespondiente átomo de silicio.


Semiconductor extrínseco tipo n


Es el que se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb).

Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes.

Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras.

Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo, dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir:  :n > ni = pi > p, tal que: n·p = ni2

Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.


Semiconductor extrínseco tipo p


Es el que se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In).

En este caso, las impurezas aportan una vacante, por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende).

Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0, 01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios.

Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:

p > pi = ni > n, tal que: n·p = ni2


Difusión


Como acabamos de ver, en un semiconductor sometido a una campo electrico, se producen dos corrientes de desplazamiento, la de electrones en la banda de conducción y la de huecos en la banda de valencia.

A éstas hay que añadir la difusión, que es el proceso mediante el cual las propiedades de un sólido se reparten a lo largo de su volumen hasta hacerse uniformes en todo él..



Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor"

Microelectrónica

La microelectrónica es la aplicación de la ciencia electrónica a componentes y circuitos de dimensiones muy pequeñas, microscópicas y hasta de nivel molecular para producir dispositivos y equipos electrónicos de dimensiones reducidas pero altamente funcionales.

El teléfono celular, el microprocesador de la CPU y la computadora tipo Palm son claros ejemplos de los alcances actuales de la Tecnología Microelectrónica.

Véase también



  • Fabricación de circuitos integrados

  • VLSI

  • Nanotecnología

  • Chip

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Microelectr%C3%B3nica"

LCD

LCD son las siglas en inglés de "Pantalla de Cristal Líquido" ("Liquid Crystal Display").

Se trata de un sistema eléctrico de presentación de datos formado por 2 capas conductoras trasparentes y en medio un material especial cristalino (cristal líquido) que tienen la capacidad de orientar la luz a su paso.

Cuando la corriente circula entre los electrodos transparentes con la forma a representar (por ejemplo, un segmento de un número) el material cristalino se reorienta alterando su transparencia.

El material base de un LCD lo constituye el cristal líquido, el cual exhibe un comportamiento similar al de los líquidos y unas propiedades físicas anisotrópicas similares a las de los sólidos cristalinos.

Las moléculas de cristal líquido poseen una forma alargada y son más o menos paralelas entre sí en la fase cristalina.

Según la disposición molecular y su ordenamiento, se clasifican en tres tipos: nemáticos, esméticos y colestéricos.

La mayoría de cristales responden con facilidad a los campos eléctricos, exhibiendo distintas propiedades ópticas en presencia o ausencia del campo.

El tipo más común de visualizador LCD es, con mucho, el denominado nemático de torsión, término que indica que sus moléculas en su estado desactivado presentan una disposición en espiral.

La polarización o no de la luz que circula por el interior de la estructura, mediante la aplicación o no de un campo eléctrico exterior, permite la activación de una serie de segmentos transparentes, los cuales rodean al cristal líquido.

Según sus características ópticas, pueden también clasificarse como:



  • reflectivos,

  • transmisivos

  • transreflectivos.

Fibra óptica

La fibra óptica es una guía de ondas en forma de filamento, generalmente de vidrio (en realidad, de polisilicio), aunque también puede ser de materiales plásticos, capaz de guiar una potencia óptica (lumínica), generalmente introducida por un laser, o por un LED.

Las fibras utilizadas en telecomunicación a largas distancias son siempre de vidrio, utilizándose las de plastico solo en algunas redes de ordenadores y otras aplicaciones de corta distancia, debido a que presentan mayor atenuación que las de cristal.

Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.

Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor.

Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, tanto más cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión total.

Así, en el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro.



De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.

La fibra óptica ha representado una revolución en el mundo de las telecomunicaciones, por cuanto ha desplazado a los cables de cobre para la transmisión de grandes cantidades de información, sea en forma de canales telefónicos, televisión, datos, etc.

Como se ha indicado, las fibras para los enlaces de telecomunicación son siempre de vidrio y presentan notables ventajas respecto a la transmisión por cable de pares, e incluso sobre los cables coaxiales, pudiendo señalarse como las más sobresalientes las siguientes:

  • Baja atenuación, lo que se traduce en mayor distancia entre repetidores.

  • Gran ancho de banda y bajo precio, por tanto, menor coste por canal de comunicación.

  • Gran flexibilidad y poco peso, lo que redunda en una instalación más fácil y un transporte más económico.

  • No es afectada por las radiaciones, por lo que no es preciso apantallamiento electromagnético.

  • Alta estabilidad con la temperatura, lo que permite su empleo en ambientes adversos sin que se vea afectada la calidad de transmisión.

  • No emite radiaciones, por lo que sus transmisiones son seguras, al no poder ser captadas por inducción en las proximidades de los cables.

  • Son dieléctricas, lo que asegura el aislamiento eléctrico del cable y permite su empleo y manipulación sin peligro en instalaciones de alta tensión. Tanto es así que en la actualidad las empresas de telecomunicación emplean fibras ópticas arrolladas a los conductores de tierra de las líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica.

  • Incluso el mayor coste de algunos de los elementos que componen los terminales y regeneradores ópticos, especialmente el láser, queda ampliamente compensado por el menor número de regeneradores, al colocarse estos mucho más separados, así como por la mayor capacidad de transmisión de la fibra respecto a los otros emedios.

Clasificación

La fibra óptica se clasifica en multimodo o monomodo según sea el número de modos (soluciones de las Ecuaciones de Maxwell) que admite.

  • Fibra multimodo. Permite que existan múltiples modos guiados. El diámetro del núcleo suele ser de 50 ó 62.5 micras.

  • Fibra monomodo. Sólo admite un modo guiado. En este caso el diámetro del núcleo es mucho menor, de unas 9 micras. Existen varios tipos de fibras monomodo:

    • SMF (Standard Single Mode Fiber)

    • DSF (Dispersion-Shifted Fiber)

    • NZ-DSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber)

El problema de las fibras multimodo es la dispersión intermodal.

Este fenómeno se produce porque la luz que viaja por la fibra se acopla a los distintos modos, y cada modo viaja a una velocidad distinta, con lo que la luz acoplada a cada modo llega en distinto momento al receptor.

Por ello, para la transmisión a largas distancias, se emplea la fibra monomodo, que evita este problema, pero a cambio es más cara.


  • También puede distinguirse entre fibra pasiva (la convencional) y activa. Esta última, que integra en su composición iones de erbio o praseodimio, permite la amplificación óptica de la señal.

Enlace externo

  • Artículos y tutoriales de fibra optica (http://www.radioptica.com/Fibra/material_fib.asp)

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica"

Catalizador

Catalizador es una substancia (compuesto o elemento) capaz de acelerar una reacción química, permaneciendo él mismo inalterado (no se consume durante la reacción). A este proceso se le llama catálisis.

Muchos de los catalizadores actúan aumentando la superficie que permite encontrarse y unirse o separarse a dos o más reactivos químicos.

Los catalizadores no alteran el balance energético final de la reacción química, sino que sólo permiten que se alcance el equilibrio con mayor o menor velocidad.

Entre los catalizadores que aceleran la velocidad de la reacción es posible distinguir:



  1. Catalizadores de contacto: No reaccionan químicamente con las sustancias sino que absorben en su susperficie las moléculas de las sustancias reaccionantes, acelerando la reacción.

  2. Catalizadores de transporte: Aquellos que se regeneran una vez finalizada la reacción.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Catalizador"

Química medioambiental

La química medioambiental es la aplicación de la química al estudio de los problemas y la conservación del medio ambiente.

A medida que la comunidad internacional presta más atención a las tesis del ecologismo (con acuerdos internacionales como el protocolo de Kioto para reducir las emisiones de dióxido de carbono para limitar el efecto invernadero), esta disciplina cobra más y más importancia.

El insuficiente desarrollo de esta disciplina hizo posible el uso generalizado de los clorofluorocarbonos, con las graves consecuencias que esto tuvo para el agujero en la capa de ozono.

Tras las experiencias con la lluvia ácida, la combinación de química medioambiental y ingeniería química resultó en el desarrollo de los filtros para limitar las emisiones de las fábricas.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_medioambiental"

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (también bióxido de carbono, óxido de carbono (IV) y anhídrido carbónico) es un molécula compuesta por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Su fórmula química es CO2.

Muchos seres vivos al respirar toman oxígeno de la atmósfera y devuelven dióxido de carbono. Es una molécula lineal y apolar.

El CO2 es uno de los gases de efecto invernadero que contribuye a que la Tierra tenga una temperatura habitable, siempre y cuando se mantenga en unas cantidades determinadas.

Sin dióxido de carbono, la Tierra sería un bloque de hielo. Por otro lado un exceso de CO2 impide la salida de calor de la atmósfera y provoca un calentamiento excesivo del planeta.

En los últimos años la cantidad de dióxido de carbono ha aumentado mucho y eso contribuye al calentamiento global del planeta.

Aplicaciones



El CO2 se utiliza en bebidas carbonatadas para darles efervescencia.

Se utiliza como agente extintor eliminado el oxigeno para el fuego.

Tambien en refrigeración como líquido refrigerante en máquinas frigoríficas o congelado como hielo seco.

Otro uso que está ganando "adeptos" es su empleo como agente extractante cuando se encuentra en condiciones supercríticas dada su escasa o nula presencia de residuos en los extractos.

Este uso actualmente se reduce a la obtención de alcaloides como la cafeína y determinados pigmentos, pero una pequeña revision por revistas científicas puede dar una visión del enorme potencial que este agente de extracción presenta, ya que permite realizar extracciones en medios anóxidos lo que permite obtener productos de alto potencial antioxidante.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono"

CFC

Un clorofluorocarburo o clorofluorocarbono (denominados tambien CFC o Halones) es cada uno de los derivados de los hidrocarburos saturados obtenidos mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de cloro y flúor.

Debido a su alta estabilidad fisico-química, han sido muy usados como líquidos refrigerantes, agentes extintores y propelentes para aerosoles (en este uso sustituian al cloruro de vinilo monómero, prohibido por su alta toxicidad).

Su fabricación y empleo fue prohibido debido a que atacan la Estratosfera, situada a 50 km sobre el nivel del mar en la Capa de Ozono.



El mecanismo de reacción a través del cual atacan al ozono es una reacción fotoquímica: al incidir la luz ultravioleta sobre la molécula, se libera un átomo de Cloro con un electron desapareado, radical Cloro, fuertemente reactivo y con gran afinidad por el ozono, rompiendo la mólecula de este último.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/CFC"

Capa de ozono

El ozono es un gas presente en la atmósfera compuesto por tres atómos de oxígeno O3.

Su mayor concentración es en la capa denominada estratosfera, a 30-80 km. sobre la superficie terrestre.

El ozono ayuda como filtro de las radiaciones nocivas que llegan a la Tierra permitiendo el paso de las otras como ultravioleta de onda larga llega a la superficie.

El ozono presente en capas más próximas a la superficie terrestre, como en la troposfera es peligroso ya que es nocivo para los seres vivos pues forma parte del denominado smog fotoquímico.

En los últimos años se considera amenazada, ver al respecto:



  • Agujero de ozono

  • Clorofluorocarburo

  • PortalMundos: Información sobre la Capa de Ozono (http://www.portalmundos.com/mundometeorologia/cambio/ozono.htm)

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_ozono"

Lluvia ácida

La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire interactúa con el óxido de nitrógeno y el dióxido de azufre emitido por fábricas, centrales eléctricas y automotores que queman carbón o aceite.

Esta interacción de gases con el vapor de agua forma el ácido sulfúrico y los ácidos nítricos.

Finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra en forma de precipitación o lluvia ácida.



Los contaminantes de la lluvia ácida pueden recorrer grandes distancias, y los vientos los trasladan miles de millas antes de precipitarse en forma de rocío, llovizna, lluvia, granizo, nieve o niebla que se vuelven ácidos al absorber gases residuales de industrias o centrales térmicas que usan carburantes fósiles, gases de tubos de escape de vehículos y otras causas, ya sean naturales o antropogénicas.

Provoca un fuerte deterioro en el medio ambiente.

La lluvia normalmente presenta un pH de aproximadamente 5.6 (ligeramente ácido) debido a la presencia del CO2 atmosférico, que forma ácido carbónico, H2CO3.

Se considera que es lluvia ácida si presenta un pH de menos de 5 y puede alcanzar el pH del vinagre,pH 3.

Estos valores de pH se alcanzan por la presencia de ácidos como el ácido sulfúrico, H2SO4, y el ácido nítrico, HNO3.

Estos ácidos se forman a partir del dióxido de azufre, SO2, y el monóxido de nitrógeno, NO.

Formación de la lluvia ácida

Una gran parte del SO2 emitido a la atmósfera procede de erupciones volcánicas.

También son importantes las emisiones de SO2 en procesos de obtención de energía: el carbón, el petróleo y otros combustibles fósiles contienen azufre en unas cantidades variables (generalmente más del 1%), y, debido a la combustión, el azufre se oxida a dióxido de azufre:

S + O2 → SO2

Hay otros procesos en los que también se genera SO2, por ejemplo en la industria metalúrgica.

El SO2 puede proceder también de otras fuentes, por ejemplo como el sulfuro de dimetilo, (CH3)2S, y otros derivados, o como sulfuro de hidrógeno, H2S.

Estos compuestos se oxidan con el oxígeno atmosférico dando SO2.

Finalmente el SO2 se oxida a SO3 (interviniendo en la reacción radicales hidroxilo y oxígeno) y este SO3 se puede quedar disuelto en las gotas de lluvia, en forma de H2SO4.

La reacción global es:

SO2 + OH· + O2 + nH2O → HOO· + H2SO4(ac)

También se puede despositar sobre superficies húmedas.

El NO se forma por reacción entre el oxígeno y el nitrógeno a alta temperatura:

O2 + N2 → NO

Una de las fuentes más importantes es a partir de las reacciones producidas en los motores de los automóviles y aviones.

Este NO se oxida con el oxígeno atmosférico:

O2 + 2NO → 2NO2

Y este 2NO2 reacciona con el agua dando ácido nítrico que se disuelve en el agua:

3NO2 + O2 → 2HNO3 + NO

El catalizador que llevan los automóviles en el tubo de escape, reduce las emisiones de este gas.

Efectos de la lluvia ácida

La lluvia ácida provoca unos graves efectos medioambientales.

La acidificación de las aguas de lagos y ríos dificulta el desarrollo de vida acuática en estas aguas aumentando en gran medida la mortandad de peces.

Igualmente, afecta directamente a la vegetación, produciendo daños importantes en las zonas forestales, así como acabando con microorganismos fijadores de nitrógeno.

Un efecto indirecto muy importante es que los protones, H+, procedentes de la lluvia ácida lixivian ciertos iones del suelo.

Por ejemplo, se generan cationes de hierro, calcio, aluminio, plomo, cinc, etc.

Como consecuencia se produce el denominado estrés en las plantas, que las hace más vulnerables a las plagas.

La lluvia ácida también puede disolver el carbonato de calcio, CaCO3, afectando de esta forma a los monumentos y edificaciones construidas con mármol o caliza.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Lluvia_%C3%A1cida"



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