Materiales aislantes
Los materiales aislantes NO permiten la circulación de los electrones. Y por tanto, al someterlos a un campo eléctrico, no disponen de electrones libres que se puedan mover. Todos están fuertemente ligados a sus núcleos
Existen muchísimos materiales aislantes, la mayoría, pero nos vamos a centrar en uno en partícular que es el que se utiliza en los chips: El dióxido de silicio, también conocido como sílice. Es una red cristalina formada por átomos de silicio y oxígeno
Átomos de oxígeno
El oxígeno es un elemento indispensable en la vida en la tierra, y se encuentra en muchísimos compuestos, incluido el agua
El átomo de oxígene tiene el número 8, es decir, tiene 8 protones en el núcleo y 8 electrones orbitando. Típicamente tiene también 8 neutrones
El oxígeno tiene 2 electrones sin aparear, y por ello tiende a compartirlos con otros elementos para formar enlaces covalentes
Molécula de oxígeno
El oxígeno, al igual que le ocurría al hidrógeno, no se encuentra como un átomo aislado, sino que tiende a combinarse con otros átomos, incluso del mismo tipo. En la naturaleza el oxígeno es un gas, que se forma cuando se combina entre sí dos átomos de oxígeno (). Esta unión se aproxima como dos enlaces convalentes (aunque la realidad es más compleja)
La molécula de oxígeno la representaremos igual que la de : Mediante dos esferas (átomos) unidos mediante un cilindro, que en este caso es un enlace covalente doble, pero ese detalle nos es indiferente
Molécula de agua
Como el oxígeno tiene esos 2 electrones para compartir, los puede usar para enlazarse con dos átomos de hidrógeno, formando la conocidísima molécula de agua , cuyo estado principal en la naturaleza es el líquido
Los 3 átomos no están alineados, sino que los hidrógenos forman un ángulo de 104.45 grados.
La molécula de agua no la necesitamos para el diseño de chips, pero se incluye aquí para entender mejor el comportamiento del átomo de oxígeno
Átomo de silicio
El átomo de silicio tiene número atómico 14, con 14 protones y 14 electrones. En el núcleo tiene típicamente 14 neutros junto a los protones. De los 14 electrones, hay 4 que están en la capa exterior, que se denominan electrones de valencia. Estos son los 4 electrones que tienen tendencia a compartirse con otros átomos para formar enlaces covalente
En esta figura se muestra el átomo de Silicio con sus 4 electrones de valencia
El silicio es el elemento fundamental para la construcción de los chips. Tiende a compartir sus 4 electrones de valencia con otros átomos, por lo que típicamente se enlaza con 4 átomos y los orbitales se distribuyen equitativamente en el espacio formando una estructura tetraédrica. Para entenderlo bien vamos a ver una serie de figuras
Primero representamos el núcleo de silicio en el centro de un tetraedro regular, que denominamos tetraedro de referencia
Ahora dibujamos los orbitales. Cada uno apunta hacia uno de los vértices del tetraedro de referencia
Molécula de Silano
La molécula más sencilla que se puede construir con silicio es el Silano cuya fórmula es . Es un atomo de silicio unido a 4 átomos de hidrógeno, uno en cada vértice del tetraedro
Esta molécula tiene una estructura 3D, y no es plana. Como los átomos de Hidrógeno sólo tienen 1 electrón, no se pueden enlazar con otros elementos, y la molécula es simple. De hecho, el silano es un gas. Veremos cómo en el caso del dióxido de silicio se crea una red cristalina, ya que el silicio se une a otros átomos que a su vez se unen a más silicios
Óxido de silicio
El óxido de silicio, también conocido como dióxido de silicio o sílice es un compuesto sólido dispuesto en una red tridimensional. Se obtiene cuando el átomo de silicio se le unen 4 oxígenes en sus 4 vértices. Y estos oxígenos, a su vez, están unidos a Silicio. Así, cada silicio está unido a 4 oxígenos y cada oxígeno a 2 silicios, formando un cristal 3D, no regular
La estructura básica es el tetraedro del silicio, unido a 4 oxígenos
Estos tetraedros se unen entre sí con diferentes orientaciones formando una red tridimensional sólida. En la figura sólo se muestran 6 átomos de silicio formando un camino cerrado, pero hay más tetraedros conectados por el resto de átomos de oxígeno
El óxido de silicio forma un material sólido, con una estructura 3D, que se puede hacer todo lo grande que se quiera
Comportamiento eléctrico
En el óxido de silicio, TODOS los electrones se emplean para la unión entre los átomos. Y por tanto, NO HAY ELECTRONES LIBRES. No hay una banda de conducción donde los electrones pueden moverse libremente cuando están sometidos a un campo eléctrico
Por ello, el dióxido de silicio, a diferencia del cobre, es un material aislate. Si se conecta a una fuente de tensión, NO aparece una corriente. Es un circuito abierto