La Física del Estado Sólido
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La física del estado sólido es la rama más grande de la física de la materia condensada y se ocupa del estudio de las propiedades de los sólidos , ya sean electrónicos , mecánicos , ópticos y magnéticos . La mayor parte de la investigación teórica y experimental en física del estado sólido se centra en los cristales , tanto por su característica estructura atómica periódica, que facilita su modelado matemático , como por su amplio uso tecnológico.
El punto de partida de gran parte de la teoría de la física del estado sólido es la formulación de Schrödinger de la mecánica cuántica no relativista. La teoría generalmente se ubica dentro de la aproximación de Born-Oppenheimer y de la estructura periódica de la red cristalina podemos derivar las condiciones periódicas de Born-von Karman y el Teorema de Bloch , que caracteriza la función de onda en el cristal.
Las desviaciones de la periodicidad se tratan ampliamente mediante enfoques perturbativos o con otros métodos más innovadores, como la renormalización de estados electrónicos. Un cuerpo de estado sólido tiene su propia forma que no se puede modificar excepto deformarlo, ocupa un espacio específico y por lo tanto tiene su propio volumen y no es comprimible.
El término estado sólido en electrónica se refiere en general a todos los dispositivos semiconductores . A diferencia de los dispositivos electromecánicos, como los relés , los dispositivos de estado sólido no tienen partes mecánicas móviles. El término también se usa para diferenciar los dispositivos semiconductores de los primeros dispositivos electrónicos, válvulas y diodos termoiónicos , ya que estos últimos, en lugar de dejar que la corriente fluya en un material sólido, la hacen fluir en el vacío (por esta razón, las válvulas también son llamados "tubos de vacío".
La física del estado sólido constituye una parte importante de la física cuántica. Con su ayuda podemos comprender las propiedades mecánicas, térmicas, eléctrico-magnéticas y ópticas propias de los sólidos.
La existencia de la materia en un estado u otro depende de las condiciones de presión y temperatura en las que se formaron. De la misma forma, estos parámetros condicionan la formación de la estructura interna del sólido.
Cada elemento tiene sus propias curvas de cambio de fase, de manera que dependiendo del elemento se necesitarán unas condiciones u otras para la formación del sólido o para realizar cualquier otro cambio de fase. Dependiendo del alcance del orden espacial de la estructura interna en la materia y su distribución en la misma podemos distinguir entre:
Mono cristal: presenta una fuerte interacción entre sus componentes los cuales describen una mínima oscilación con poca energía potencial. Las partículas están dispuestas de acuerdo a un orden en el espacio que está determinado de acuerdo con una red estructural formada por la «recreación» geométrica de la celdilla unidad en toda la estructura del sólido. Presentan lo que se conoce como anisotropía.
Policristal: está compuesto por diversas regiones en las que individualmente se recrea un monocristal aunque las disposiciones de cada una de estas regiones no son simétricas entre sí. Presenta lo que se llama Isotropía estadística.
Amorfos: no presentan una estructura o distribución en el espacio, lo cual los determina como una estructura espacial tridimensional no definida. No se trata de una estructura cristalina.
El modelo de Drude permitía explicar el comportamiento como conductor de algunos sólidos basándose en la aplicación de la teoría cinética a los electrones en un sólido. Sin embargo este modelo era insuficiente a la hora de explicar el comportamiento de otros materiales que hoy día se conocen como semiconductores. En respuesta al modelo de Drude surgió el modelo de bandas energéticas, el cual basándose en las distribuciones de los electrones en sus orbitales a modo de regiones discretas, puede explicar el comportamiento de la conductividad en los materiales.
Usualmente, se presenta este esquema basado en el modelo atómico de Bohr y el principio de exclusión de Pauli.
Supóngase una red cristalina formada por átomos de silicio. 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 se tienen 8 orbitales híbridos sp³ con cuatro electrones y cuatro vacantes (punto B).
Si se continúa 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:
Banda de valencia: cuatro estados, con cuatro electrones.
Banda prohibida: no puede haber electrones con esos valores de energía en el cristal.
Banda de conducción: cuatro estados, sin electrones.
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