Portador de carga

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 conductores eléctricos. Ejemplos de ello son los electrones, los iones y los huecos. El término se utiliza más comúnmente en física del estado sólido. 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. 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 electrones. Uno o dos de los electrones de valence de cada átomo son capaces de moverse libremente dentro de la estructura de cristal del metal. Los electrones libres se denominan electrones de conducción, y la nube de electrones libres se llama gas Fermi. Muchos metales tienen bandas de electrones y agujeros. En algunos, los portaaviones son agujeros.
• En electrolitos, como agua salada, los portadores de carga son iones, que son átomos o moléculas que han ganado o perdido electrones por lo que están cargados eléctricamente. Atoms that have gained electrons so they are negatively charged are called anions, atoms that have lost electrons so they are positively charged are called cations. Las claves y los aniones del líquido disociado también sirven como portadores de carga en sólidos iónicos fundidos (véase, por ejemplo, el proceso Hall-Héroult por un ejemplo de electrolisis de un sólido iónico fundido). Los conductores de protón son conductores electrolíticos empleando iones de hidrógeno positivos como portadores.
• En un plasma, un gas cargado eléctricamente que se encuentra en arcos eléctricos a través del aire, las señales de neón y el sol y las estrellas, los electrones y las caciones de gas ionizado actúan como portadores de carga.
• En un 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 una catoda de metal calentado, por un proceso llamado emisión termonica. Cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente fuerte como para dibujar los electrones en un haz, esto puede denominarse un rayo cathode, y es la base de la pantalla del tubo de rayos catode ampliamente utilizada en televisores y monitores de computadora hasta los años 2000.
• En semiconductores, que son los materiales utilizados para fabricar componentes electrónicos como transistores y circuitos integrados, son posibles dos tipos de carga. En semiconductores de tipo p, las "partículas eficaces" conocidas como agujeros de electrones con carga positiva se mueven a través de la rejilla de cristal, produciendo una corriente eléctrica. Los "agujeros" son, en efecto, las vacantes de electrones en la población de electrones de valence-band del semiconductor y se tratan como portadores de carga porque son móviles, pasando de sitio de átomo a sitio de átomo. En semiconductores de tipo n, los electrones de la banda de conducción se mueven a través del cristal, dando lugar a una corriente eléctrica.

En algunos conductores, como soluciones iónicas y 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

Existen 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.

Generación y recombinación de portadores

Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres efectivamente desaparecen. 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). 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 la brecha de energía.

Portadores mayoritarios y minoritarios

Los portadores de carga más abundantes se denominan portadores mayoritarios, y 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.

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.

Los portadores minoritarios desempeñan un papel importante en los transistores bipolares y las células solares. 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 a los de tipo opuesto en la región de transferencia (de hecho, los portadores de tipo opuesto son eliminados por 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 "operadores mayoritarios" dispositivos.

Concentración de portadora libre

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.