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Propiedades eléctricas de los materiales
1. Generalidades
• Portadores eléctricos y enlace atómico
• Teoría de bandas
2. Conductividad eléctrica
• Metales
• Aislantes (cerámicos) y polímeros
• Semiconductores
3. Aislantes y propiedades dieléctricas
• Aislamiento eléctrico
• Polarización y constante dieléctrica
• Piezoelectricidad y ferroelectricidadImportancia de las propiedades eléctricas
• En materiales conductores, p.ej. metales (hilo de cobre), se precisa alta conductividad eléctrica para transportar corriente eléctrica y energía sin pérdidas
• En materiales aislantes, p.ej. cerámicos o polímeros, se precisa una conductividad eléctrica muy baja (dielectricidad) para impedir la ruptura dieléctrica del material y los arcos eléctricos entreconductores
• En materiales semiconductores:
– P.ej.: dispositivos fotoeléctricos. Se necesita optimizar sus propiedades eléctricas para que con ellos se puedan fabricar fuentes prácticas y eficientes de energías alternativas
– P. ej. Transistores, circuitos lógicos, etc…El estudio y posterior mejora de sus propiedades eléctricas permite la fabricación de “chips” y ordenadores más rápidos ypequeños.

Los portadores eléctricos y el enlace atómico (I)
• La carga eléctrica (y su movimiento) es la responsable de las propiedades eléctricas de un material
• Tipos de cargas eléctricas móviles en un material: electrones, huecos (espacios dejados por los electrones) e iones
• Tipos de enlaces según los materiales:
– Metálico: los electrones están compartidos por todos los núcleosatómicos del material (nube electrónico). Facilidad de movimiento.
– Covalente: los electrones están compartidos por un par de átomos. Alto
grado de localización electrónica y gran dificultad de movimiento por el
material.
– Iónico: iones positivos y negativos forman el material mediante fuertes
interacciones electrostáticas, por tanto, los electrones tienen una gran dificultad de movimientopor el material.
Modelo microscópico de la conducción eléctrica (I)
1. En su movimiento por el material, las cargas eléctricas colisionan con su entorno:
– Red de núcleos atómicos y sus vibraciones (dependientes de la temperatura)
– Imperfecciones de la red de núcleos: defectos puntuales (impurezas, vacantes), defectos de línea (dislocaciones) y defectos de superficie (fronteras de grano,límites de la muestra, maclas,…)
– Resto de las cargas eléctricas
2. Las colisiones se resisten al movimiento libre de la carga eléctrica y limitan su velocidad hasta cierto valor máximo, vm
3. El tipo y número de colisiones depende, por tanto, de la estructura cristalina del material y de la temperatura. Propiedad intrínseca del material, resistividad eléctrica, ρ.
Teoría de bandas en laconducción eléctrica (I)
Niveles electrónicos en un átomo aislado
• Orbitales s, p, d, f: niveles de energía discretos y números cuánticos
• Ocupación de los orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones en cada distinto nivel de energía)
Niveles electrónicos en un sólido (unión de N átomos, donde N es del orden de 1023)
• Necesidad de superponer N orbitales s, N orbitales p, N orbitalesd…
• Ocupación de los N orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones en cada distinto nivel de energía).
• Los orbitales de cada átomo deben, por tanto, diferenciarse levemente de los de otro átomo para que el sólido pueda contener los 2N electrones
• Ensanchamiento de los orbitales en una banda (o rango de energías)




Teoría de bandas en la conducción eléctrica (II)
• Loselectrones del sólido rellenan progresivamente las bandas de menor a mayor energía.
• Las bandas internas llenas NO colaboran al transporte de carga eléctrica pues no hay posibilidad de excitar un electrón a otro nivel vacío.
• La banda externa o última SÍ puede colaborar a las propiedades eléctricas del material:
– Banda externa llena: los electrones pueden ser excitados a otra banda...