Estructura cristalina y de valencia

Valencia: Los electrones en la capa más externa, o capa de valencia, se conocen como valencia electrones. Estos electrones de valencia son responsables de las propiedades químicas de los elementos químicos. Son estos electrones los que participan en reacciones químicas con otros elementos. Una regla química simplificada que se aplica a las reacciones simples es que los átomos intentan formar una capa exterior completa de 8 electrones (dos para la capa L). Los átomos pueden ceder algunos electrones para exponer una capa completa subyacente. Los átomos pueden aceptar algunos electrones para completar la capa. Estos dos procesos forman iones a partir de átomos. Los átomos pueden incluso compartir electrones entre átomos en un intento de completar la capa exterior. Este proceso forma enlaces moleculares. Es decir, los átomos se asocian para formar una molécula

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Por ejemplo, los elementos del grupo I:Li, Na, K, Cu, Ag y Au tienen un solo electrón de valencia. (Figura siguiente) Todos estos elementos tienen propiedades químicas similares. Estos átomos ceden fácilmente un electrón para que reaccione con otros elementos. La capacidad de regalar fácilmente un electrón hace que estos elementos sean excelentes conductores.

Elementos del grupo IA de la tabla periódica:Li, Na y K, y elementos del grupo IB:Cu, Ag y Au tienen un electrón en la capa exterior o de valencia, que se dona fácilmente. Electrones de la capa interna:para n =1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Aislante

Elementos del grupo VIIA:Fl, Cl, Br y todos tenemos 7 electrones en la capa exterior. Estos elementos aceptan fácilmente un electrón para llenar la capa exterior con 8 electrones completos. (Imagen siguiente) Si estos elementos aceptan un electrón, se forma un ion negativo a partir del átomo neutro. Estos elementos que no ceden electrones son aislantes.

Elementos del grupo VIIA de la tabla periódica:F, Cl, Br e I con 7 electrones de valencia aceptan fácilmente un electrón en reacciones con otros elementos.

Por ejemplo, un átomo de Cl acepta un electrón de un átomo de Na para convertirse en Cl ^- ion como se muestra en la Figura siguiente. Un ion es una partícula cargada formada a partir de un átomo al donar o aceptar un electrón. A medida que el átomo de Na dona un electrón, se convierte en un ion Na +. Así es como los átomos de Na y Cl se combinan para formar NaCl, sal de mesa, que en realidad es Na ⁺ Cl ^- , un par de iones. El Na ⁺ y Cl ^- llevando cargas opuestas, se atraen entre sí.

Un átomo de sodio neutro dona un electrón al átomo de cloro neutro que forma Na + y Cl - iones.

El cloruro de sodio cristaliza en la estructura cúbica que se muestra en la Figura siguiente. Este modelo no está a escala para mostrar la estructura tridimensional. El Na ⁺ Cl ^- Los iones en realidad están empaquetados de manera similar a capas de canicas apiladas. La estructura de cristal cúbico fácilmente dibujada ilustra que un cristal sólido puede contener partículas cargadas.

Elementos del grupo VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe tienen 8 electrones en la capa de valencia. (Imagen siguiente) Es decir, la capa de valencia está completa, lo que significa que estos elementos no donan ni aceptan electrones. Tampoco participan fácilmente en reacciones químicas ya que los elementos del grupo VIIIA no se combinan fácilmente con otros elementos. En los últimos años, los químicos han obligado a Xe y Kr a formar algunos compuestos, sin embargo, para los fines de nuestra discusión, esto no es aplicable. Estos elementos son buenos aislantes eléctricos y son gases a temperatura ambiente.

Elementos del grupo VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe son en gran parte no reactivos ya que la capa de valencia está completa.

Semiconductores

Los elementos del grupo IVA:C, Si, Ge, que tienen 4 electrones en la capa de valencia, como se muestra en la Figura siguiente, forman compuestos al compartir electrones con otros elementos sin formar iones. Este enlace de electrones compartido se conoce como enlace covalente . Tenga en cuenta que el átomo central (y los demás por extensión) ha completado su capa de valencia al compartir electrones. Tenga en cuenta que la figura es una representación bidimensional de la vinculación, que en realidad es tridimensional. Es este grupo, IVA, el que nos interesa por sus propiedades semiconductoras.

(a) Elementos del grupo IVA:C, Si, Ge que tienen 4 electrones en la capa de valencia, (b) completa la capa de valencia compartiendo electrones con otros elementos.

Estructura cristalina: La mayoría de las sustancias inorgánicas forman sus átomos (o iones) en una matriz ordenada conocida como cristal . Las nubes de electrones exteriores de los átomos interactúan de manera ordenada. Incluso los metales están compuestos de cristales a nivel microscópico. Si a una muestra de metal se le aplica un pulimento óptico y luego se graba con ácido, el microscópico microcristalino La estructura se muestra como en la Figura siguiente. También es posible comprar, a un costo considerable, muestras de monocristales metálicos de proveedores especializados. Pulir y grabar tal muestra no revela estructura microcristalina. Prácticamente todos los metales industriales son policristalinos. La mayoría de los semiconductores modernos, por otro lado, son dispositivos monocristalinos. Estamos interesados ​​principalmente en estructuras monocristalinas.

(a) Muestra de metal, (b) pulido, (c) grabado con ácido para mostrar una estructura microcristalina.

Muchos metales son blandos y se deforman fácilmente con las diversas técnicas de trabajo de metales. Los microcristales se deforman en el trabajo de los metales. Además, los electrones de valencia pueden moverse libremente por la red cristalina y de un cristal a otro. Los electrones de valencia no pertenecen a ningún átomo en particular, sino a todos los átomos.

La estructura cristalina rígida de la Figura siguiente se compone de un patrón que se repite regularmente de iones de Na positivos e iones de Cl negativos. Los átomos de Na y Cl forman Na ⁺ y Cl ^- iones mediante la transferencia de un electrón de Na a Cl, sin electrones libres. Los electrones no pueden moverse libremente por la red cristalina, una diferencia en comparación con el metal. Tampoco los iones son libres. Los iones se fijan en su lugar dentro de la estructura cristalina. Sin embargo, los iones pueden moverse libremente si el cristal de NaCl se disuelve en agua. Sin embargo, el cristal ya no existe. La estructura regular que se repite se ha ido. La evaporación del agua deposita el Na ⁺ y Cl ^- iones en forma de nuevos cristales a medida que los iones de carga opuesta se atraen entre sí. Los materiales iónicos forman estructuras cristalinas debido a la fuerte atracción electrostática de los iones con carga opuesta.

Cristal de NaCl que tiene una cadena cúbica Los semiconductores del Grupo 14 (anteriormente parte del Grupo IV) forman un patrón de enlace tetraédrico que utiliza los electrones orbitales syp alrededor del átomo, compartiendo enlaces de pares de electrones con cuatro átomos adyacentes. (Figura siguiente (a)). Los elementos del grupo 14 tienen cuatro electrones externos:dos en un orbital s esférico y dos en orbitales p. Uno de los orbitales p está desocupado. Los tres orbitales p se hibridan con el orbital s para formar cuatro sp ³ orbitales moleculares. Estas nubes de cuatro electrones se repelen entre sí a un espaciado tetraédrico equidistante alrededor del átomo de Si, atraídas por el núcleo positivo como se muestra en la Figura siguiente.

Un s-orbital y tres electrones p-orbital se hibridan, formando cuatro sp ³ orbitales moleculares.

Cada átomo semiconductor, Si, Ge o C (diamante) está químicamente unido a otros cuatro átomos mediante enlaces covalentes , enlaces de electrones compartidos. Dos electrones pueden compartir un orbital si cada uno tiene números cuánticos de espín opuestos. Por tanto, un electrón desapareado puede compartir un orbital con un electrón de otro átomo. Esto corresponde a la superposición de la Figura siguiente (a) de las nubes de electrones, o enlace. La siguiente figura (b) es un cuarto del volumen de la celda unitaria de estructura de cristal de diamante que se muestra en la Figura siguiente en el origen. Los enlaces son particularmente fuertes en el diamante, disminuyendo su resistencia al descender del grupo IV al silicio y el germanio. Tanto el silicio como el germanio forman cristales con estructura de diamante.

(a) Enlace tetraédrico del átomo de Si. (b) conduce a 1/4 de la celda unitaria cúbica

La celda unitaria de diamante es el bloque de construcción de cristal básico. La siguiente figura muestra cuatro átomos (oscuros) unidos a otros cuatro dentro del volumen de la celda. Esto equivale a colocar uno de la Figura anterior (b) en el origen de la Figura siguiente, y luego colocar tres más en las caras adyacentes para llenar el cubo completo. Seis átomos caen en el medio de cada una de las seis caras del cubo, mostrando dos enlaces. Los otros dos enlaces a cubos adyacentes se omitieron para mayor claridad. De las ocho esquinas del cubo, cuatro átomos se unen a un átomo dentro del cubo. ¿Dónde están enlazados los otros cuatro átomos? Los otros cuatro se unen a cubos adyacentes del cristal. Tenga en cuenta que aunque los cuatro átomos de las esquinas no muestran enlaces en el cubo, todos los átomos dentro del cristal están enlazados en una molécula gigante. Se crea un cristal semiconductor a partir de copias de esta celda unitaria.

Si, Ge y C (diamante) forman un cubo intercalado centrado en la cara.

El cristal es efectivamente una molécula. Un átomo se une covalentemente a otros cuatro, que a su vez se unen a otros cuatro, y así sucesivamente. La red cristalina es relativamente rígida y resiste la deformación. Pocos electrones se liberan para la conducción alrededor del cristal. Una propiedad de los semiconductores es que una vez que se libera un electrón, se desarrolla un espacio vacío cargado positivamente que también contribuye a la conducción.

REVISAR

• Los átomos intentan formar una valencia exterior completa, una capa de 8 electrones (2 electrones para la capa más interna). Los átomos pueden donar algunos electrones para exponer una capa subyacente de 8, aceptar algunos electrones para completar una capa o compartir electrones para completar una capa.
• Los átomos a menudo forman matrices ordenadas de iones o átomos en una estructura rígida conocida como cristal.
• Un átomo neutro puede formar un ión positivo donando un electrón.
• Un átomo neutro puede formar un ion negativo al aceptar un electrón
• Los semiconductores del grupo IVA:C, Si, Ge cristalizan en una estructura de diamante. Cada átomo del cristal es parte de una molécula gigante que se une a otros cuatro átomos.
• La mayoría de los dispositivos semiconductores se fabrican a partir de monocristales.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de conducción eléctrica en semiconductores