En física , un portador de carga es una partícula o cuasipartícula que se mueve libremente y lleva 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 los medios conductores, las partículas sirven para transportar carga:
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.
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 portadores de carga, que portan una carga positiva igual en magnitud a la de un electrón. [12]
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 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 el hueco de energía.
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 "portador mayoritario". [18]
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]
Los superconductores tienen resistencia eléctrica cero y, por tanto, pueden transportar corriente indefinidamente. Este tipo de conducción es posible mediante la formación de pares de Cooper . Actualmente, los superconductores sólo pueden conseguirse a temperaturas muy bajas, por ejemplo mediante refrigeración criogénica. Hasta el momento, lograr la superconductividad a temperatura ambiente sigue siendo un desafío; todavía es un campo de investigación y experimentación en curso. La creación de un superconductor que funcione a temperatura ambiente constituiría un avance tecnológico importante, que podría contribuir potencialmente a una eficiencia energética mucho mayor en la distribución de electricidad en la red.
En circunstancias excepcionales, los positrones , muones , antimuones, taus y antitaus también pueden transportar carga eléctrica. Esto es teóricamente posible, pero la muy corta vida útil de estas partículas cargadas haría que mantener dicha corriente fuera muy difícil en el estado actual de la tecnología. Podría ser posible crear artificialmente este tipo de corriente, o podría ocurrir en la naturaleza durante lapsos de tiempo muy cortos.
Los plasmas están compuestos de gas ionizado. La carga eléctrica puede provocar la formación de campos electromagnéticos en los plasmas, lo que puede dar lugar a la formación de corrientes o incluso de corrientes múltiples. Este fenómeno se utiliza en reactores de fusión nuclear . También se produce de forma natural en el cosmos, en forma de chorros, vientos de nebulosas o filamentos cósmicos que transportan partículas cargadas. Este fenómeno cósmico se llama corriente de Birkeland . Considerada en general, la conductividad eléctrica de los plasmas es una materia de física de plasmas .