Partícula en movimiento libre que lleva una carga eléctrica.
En física , un portador de carga es una partícula o cuasipartícula que se mueve libremente y transporta una carga eléctrica , especialmente las partículas que transportan cargas eléctricas en los conductores eléctricos . [1] Algunos ejemplos son electrones , iones y huecos . El término se utiliza más comúnmente en física del estado sólido . [2] En un medio conductor, un campo eléctrico puede ejercer fuerza sobre estas partículas libres, provocando un movimiento neto de las partículas a través del medio; esto es lo que constituye una corriente eléctrica . [3]
El electrón y el protón son los portadores de carga elemental , llevando cada uno una carga elemental ( e ), de la misma magnitud y signo opuesto .
en conductores
En los medios conductores, las partículas sirven para transportar carga:
- En muchos metales , los portadores de carga son los electrones . Uno o dos de los electrones de valencia de cada átomo pueden moverse libremente dentro de la estructura cristalina del metal. [4] Los electrones libres se denominan electrones de conducción y la nube de electrones libres se denomina gas de Fermi . [5] [6] Muchos metales tienen bandas de electrones y huecos. En algunos, los portadores mayoritarios son agujeros. [ cita necesaria ]
- En los electrolitos , como el agua salada , los portadores de carga son iones , [6] que son átomos o moléculas que han ganado o perdido electrones por lo que quedan cargados eléctricamente. Los átomos que han ganado electrones por lo que quedan cargados negativamente se llaman aniones , los átomos que han perdido electrones por lo que quedan cargados positivamente se llaman cationes . [7] Los cationes y aniones del líquido disociado también sirven como portadores de carga en sólidos iónicos fundidos (ver, por ejemplo, el proceso Hall-Héroult para ver un ejemplo de electrólisis de un sólido iónico fundido). Los conductores de protones son conductores electrolíticos que emplean iones de hidrógeno positivos como portadores. [8]
- En un plasma , un gas cargado eléctricamente que se encuentra en arcos eléctricos a través del aire, los letreros de neón , el sol y las estrellas, los electrones y cationes del gas ionizado actúan como portadores de carga. [9]
- En el vacío , los electrones libres pueden actuar como portadores de carga. En el componente electrónico conocido como tubo de vacío (también llamado válvula ), la nube de electrones móviles es generada por un cátodo metálico calentado , mediante un proceso llamado emisión termoiónica . [10] Cuando se aplica un campo eléctrico con suficiente fuerza para atraer los electrones hacia un haz, esto puede denominarse rayo catódico , y es la base de la pantalla del tubo de rayos catódicos ampliamente utilizada en televisores y monitores de computadora hasta la década de 2000. [11]
- En los semiconductores , que son los materiales utilizados para fabricar componentes electrónicos como transistores y circuitos integrados , son posibles dos tipos de portadores de carga. En los semiconductores tipo p, " partículas efectivas " conocidas como huecos de electrones con carga positiva se mueven a través de la red cristalina, produciendo una corriente eléctrica. Los "huecos" son, en efecto, electrones vacantes en la población de electrones de la banda de valencia del semiconductor y se tratan como portadores de carga porque son móviles y se mueven de un sitio atómico a otro. En los semiconductores de tipo n, los electrones de la banda de conducción se mueven a través del cristal, dando como resultado una corriente eléctrica.
En algunos conductores, como las soluciones iónicas y los plasmas, coexisten portadores de carga positivos y negativos, por lo que en estos casos una corriente eléctrica consta de los dos tipos de portadores que se mueven en direcciones opuestas. En otros conductores, como los metales, solo hay portadores de carga de una polaridad, por lo que una corriente eléctrica en ellos simplemente consiste en portadores de carga que se mueven en una dirección.
En semiconductores
Hay dos tipos reconocidos de portadores de carga en los semiconductores . Uno son los electrones , que llevan una carga eléctrica negativa . Además, es conveniente tratar las vacantes viajeras en la población de electrones de la banda de valencia ( huecos ) como un segundo tipo de portador de carga, que porta una carga positiva igual en magnitud a la de un electrón. [12]
Generación y recombinación de portadores.
Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres efectivamente desaparecen. [13] La energía liberada puede ser térmica, calentando el semiconductor ( recombinación térmica , una de las fuentes de calor residual en los semiconductores), o liberada en forma de fotones ( recombinación óptica , utilizada en LED y láseres semiconductores ). [14] La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve a caer al estado vacío en la banda de valencia, conocido como hueco. Los huecos son los estados vacíos que se crean en la banda de valencia cuando un electrón se excita después de conseguir algo de energía para atravesar la brecha de energía.
Compañías mayoritarias y minoritarias
Los portadores de carga más abundantes se denominan portadores mayoritarios , que son los principales responsables del transporte de corriente en una pieza de semiconductor. En los semiconductores tipo n son electrones, mientras que en los semiconductores tipo p son huecos. Los portadores de carga menos abundantes se denominan portadores minoritarios ; en los semiconductores tipo n son huecos, mientras que en los semiconductores tipo p son electrones. [15]
En un semiconductor intrínseco , que no contiene ninguna impureza, las concentraciones de ambos tipos de portadores son idealmente iguales. Si un semiconductor intrínseco está dopado con una impureza donante, entonces los portadores mayoritarios son electrones. Si el semiconductor está dopado con una impureza aceptora, entonces los portadores mayoritarios son huecos. [dieciséis]
Los portadores minoritarios desempeñan un papel importante en los transistores bipolares y las células solares . [17] Su papel en los transistores de efecto de campo (FET) es un poco más complejo: por ejemplo, un MOSFET tiene regiones de tipo p y tipo n. La acción del transistor involucra a los portadores mayoritarios de las regiones fuente y drenaje , pero estos portadores atraviesan el cuerpo del tipo opuesto, donde son portadores minoritarios. Sin embargo, los portadores transversales superan enormemente en número a los de tipo opuesto en la región de transferencia (de hecho, los portadores de tipo opuesto son eliminados mediante un campo eléctrico aplicado que crea una capa de inversión ), por lo que convencionalmente se adopta la designación de fuente y drenaje para los portadores, y Los FET se denominan dispositivos de "operador mayoritario". [18]
Concentración de portador libre
La concentración de portadores libres es la concentración de portadores libres en un semiconductor dopado . Es similar a la concentración de portadores en un metal y para calcular corrientes o velocidades de deriva se puede utilizar de la misma manera. Los portadores libres son electrones ( huecos ) que se han introducido en la banda de conducción ( banda de valencia ) mediante dopaje. Por lo tanto, no actuarán como dobles portadores dejando huecos (electrones) en la otra banda. En otras palabras, los portadores de carga son partículas que pueden moverse libremente y transportar la carga. La concentración de portadores libres en semiconductores dopados muestra una dependencia característica de la temperatura. [19]
Ver también
Referencias
- ^ Dharan, Gokul; Stenhouse, Kailyn; Donev, Jason (11 de mayo de 2018). «Educación Energética - Portador de carga» . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ "Portador de carga". La gran enciclopedia soviética, tercera edición. (1970-1979) .
- ↑ Nave, R. «Vista microscópica de la corriente eléctrica» . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Nave, R. "Conductores y aisladores" . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Fitzpatrick, Richard (2 de febrero de 2002). "Electrones de conducción en un metal" . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ ab "Conductores-Aislantes-Semiconductores" . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Mayordomo, Karen (15 de agosto de 2019). "Catión vs anión: definición, gráfico y tabla periódica" . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Ramesh Suvvada (1996). "Conferencia 12: Conducción de protones, estequiometría". Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Archivado desde el original el 15 de mayo de 2021 . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Souček, Pavel (24 de octubre de 2011). "Conductividad y difusión del plasma" (PDF) . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Alba, Michael (19 de enero de 2018). "Tubos de vacío: el mundo antes de los transistores" . Consultado el 30 de abril de 2020 .
- ^ "Rayos catódicos | Introducción a la química" . Consultado el 30 de abril de 2021 .
- ^ Nave, R. "Semiconductores intrínsecos" . Consultado el 1 de mayo de 2021 .
- ^ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Generación y recombinación de portadores". Archivado desde el original el 1 de mayo de 2021 . Consultado el 1 de mayo de 2021 .
- ^ del Álamo, Jesús (12 de febrero de 2007). "Conferencia 4 - Generación y recombinación de portadores" (PDF) . MIT Open CourseWare, Instituto de Tecnología de Massachusetts. pag. 3 . Consultado el 2 de mayo de 2021 .
- ^ "Portadores de carga mayoritarios y minoritarios" . Consultado el 2 de mayo de 2021 .
- ^ Nave, R. "Semiconductores dopados" . Consultado el 1 de mayo de 2021 .
- ^ Smith, JS "Conferencia 21: BJT" (PDF) . Consultado el 2 de mayo de 2021 .
- ^ Tulbure, Dan (22 de febrero de 2007). "Regreso a los conceptos básicos de los MOSFET de potencia". Tiempos EE.UU. Consultado el 2 de mayo de 2021 .
- ^ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Densidades de portadoras" . Consultado el 28 de julio de 2022 .
