Universidad Nacional Abierta Y A Distancia - UNAD Facultad De Ciencias Básicas E Ingeniería
Física Electrónica Trabajo Colaborativo 2
Octubre de 2008
OBJETIVOS
Conocer la teoría básica de los aisladores, conductores y semi-conductores. semi-conductores. Analizar los diferentes tipos de diodos y su empleo en la electrónica.
Estudiar la evolución y el funcionamiento del transistor, la forma en que operan en los diferentes equipos electrónicos que los utilizan.
Estudiar mediante la simulación de circuitos electrónicos las diferentes variantes que nos permiten realizar en el momento de elaborar un circuito.
FASE 1 Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al Módulo del curso de Física Electrónica. 1. Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un
conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo. g rupo.
Teoría De Bandas Definición:
Los electrones pueden ocupar un número discreto de niveles de energía, pueden tener solamente aquellas energías que caen dentro de las bandas permitidas . La banda donde se mueven normalmente los electrones de valencia se conoce como banda de valencia, y los electrones que se mueven libremente y conducen la corriente se mueven en la banda de conducción.
Conductores: Para los conductores la banda de conducción y la de valencia se traslapan, en este
caso, el traslape favorece ya que así los electrones se mueven por toda la banda de conducción. No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la red cristalina. Un ejemplo son todos los metales. Aislantes: En este caso las bandas de valencia y conducción se encuentran muy bien separadas lo
cual casi impide que los electrones se muevan con mayor libertad y facilidad. La magnitud de la banda prohibida es muy grande (6 eV), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal es nula. Un ejemplo es el diamante, lana de roca, lana de vidrio, poliestireno expandido, porexpan, agramiza, etc.
Semiconductores: En el caso de los semiconductores estas dos bandas se encuentran separadas
por una brecha muy estrecha y esta pequeña separación hace que sea relativamente fácil moverse, no con una gran libertad pero no les hace imposible el movimiento. La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1 eV ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de conducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía dentro de la banda prohibida. El germanio y el silicio son semiconductores. Tipos De Semiconductores
Primero que nada tenemos que definir claramente lo que es un semiconductor el cual no es más que un material ya sea sólido o liquido con una resistividad intermedia entre la de un conductor y l a de un aislador. Gracias a los semiconductores la tecnología del estado sólido a sido reemplazada por completo a los tubos al vació, estos materiales están formados por electrones externos de un átomo, y los lo s cuales son conocidos como electrones de valencia. Existen dos tipos de semiconductores los de tipo N y los de tipo P y la unión de estos dos formando así un tercero llamado unión PN.
Semiconductor Tipo N:
Este tipo de semiconductor trata de emparejar los materiales con respecto a sus cargas y lo realiza con enlace de impurezas a ambos materiales. Por lo tanto, la impureza puede donar cargas con carga negativa al cristal, lo cual nos explica el nombre de tipo N (por (po r negativo). El material semiconductor de tipo N comercial se fabrica añadiendo a un cristal de silicio pequeñas cantidades controladas de una impureza seleccionada. A estas impurezas también se les llama contaminantes, claro así se le llaman a las impurezas que se agregan intencionalmente. Los contaminantes de tipo N más comunes son el fósforo, arsénico y antimonio. A estos semiconductores se les conoce también como donadores, y como este nombre lo indica estos semiconductores pasas cargas a el material que le hace falta para así poder emparejar este material, y es por eso que se les conoce mayormente como donadores. Semiconductor Tipo P: El semiconductor tipo P se produce también comercialmente comercialmente por el proceso de contaminación, en este
caso el contaminante tiene una carga menos que el semiconductor tipo N, entre los más comunes podemos encontrar el aluminio, boro, galio y el indio. Conocidos como aceptores el cual contiene espacios y necesita que sean llenados para emparejar el material. Semiconductor Unión Pn:
Al combinar los materiales de tipo P y N se obtienen datos y cosas muy curiosas pero lo mas importante y relevante es la formación del tipo unión PN. Una unión se compone de tres regiones semiconductoras, la región tipo P, una región de agotamiento y la región tipo N. La región de agotamiento se forma al unir estos dos materiales y aquí es donde los átomos que le sobran al tipo N pasan a llenar los espacios que deja el tipo P así complementándose uno con otro. Lo más importante de la unión es su capacidad para pasar corriente en una sola dirección. di rección. 2. Cómo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qué cualidades o características adquiere
este material con respecto al semiconductor semiconductor puro?
Semiconductor P.
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de compuesto, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos, huecos). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptador. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, una impureza trivalente deja un enlace covalente incompleto, haciendo que, por difusión, uno de los átomos vecinos le ceda un electrón completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los “huecos”. Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve “expuesto” y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
Semiconductor Tipo N.
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de compuesto, normalmente pentavalente, es decir con 5 electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso, negativos, electrones libres). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donanador ya que cede uno de sus electrones al semiconductor. El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que “dar”, son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero. 3. Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el LED, el zéner y el fotodiodo. Diodo de conmutación.
Diodo semiconductor diseñado para presentar una transición rápida entre el estado conducción y el estado de bloqueo y a la inversa. Diodo semiconductor.
Diodo que permite el paso de la corriente de su zona p, rica en huecos, a su zona n, rica en electrones. Diodo de señal.
Diodo semiconductor empleado para la detección o tratamiento de una señal eléctrica de baja potencia.
Diodo de unión.
Diodo formado por la unión de un material semiconductor tipo n y otro semiconductor tipo p.
Diodo Gunn.
Dispositivo semiconductor impropiamente calificado de diodo ya que no contiene una unión sino una sucesión de tres capas tipo n más o menos dopadas. En presencia de campos eléctricos elevados, el diodo Gunn es escenario de oscilaciones a muy alta frecuencia.
Diodo Schottky.
Diodo formado por un contacto entre un semiconductor y un metal, lo que q ue elimina el almacenamiento almacenamiento de carga y el tiempo de recuperación. Un diodo Schottky puede rectificar corrientes de frecuencia superior a 300Mhz. Diodo Schokley.
Diodo de cuatro capas p-n-p-n utilizado en los circuitos de conmutación rápida. Además, la tensión directa de este diodo es más baja que en la de un diodo semiconductor de dos regiones.
4. Cuales son las principales c racterísticas y diferencias existentes entre un transistor PNP y uno
NPN.
Determinación del tipo de t ansistor: Si la punta que tenemos conec ada a la base es la roja
(recordemos, negativo de la b tería), y con los otros dos terminales n s da resistencia alta, el transistor es del tipo NPN; si po el contrario, con esta punta conectada a l base, nos da resistencia baja con los otras patillas del tra sistor, el transistor es del tipo PNP. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de l a corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en e l gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siem pre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.
TRANSISTOR N N. TRANSISTOR PNP. El transistor bipolar es un a plificador de corriente, esto quiere decir q e si le introducimos una cantidad de corriente por una e sus patillas (base), el entregará por otr a (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que s e llama amplificación. amplificación. Características
Este efecto resulta en una "a mplificación de tensión", que es una de las características más importante de los transistores y el motivo por el cual son de uso casi impre scindible en los montajes electrónicos. Esta amplificación e tensión se calcula como la relación entre l voltaje en la resistencia de carga y la tensión aplicada en tre las junturas base-emisor. Los transistores, según sea la te nología de fabricación, se clasifican en gran es grupos con diferentes características: Bipolares, Fet, M sfes, Uni unión. El estudio y análisis de los tran istores se realiza mediante el empleo de l s "curvas características" del mismo, con las cuales se pu de caracterizar completamente el comport miento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo é sta expresada en relaciones gráficas de las corrientes Ib, Ic e Ie, en función de las tensiones exter as y para las distintas configuraciones: E isor Común (EC), Base Común (BC) y Colector Común ( C). También es importante conocer los valores máx, mín y típico de las caracte rísticas más importantes, para poder emplear, en los cálc los, el valor que resultare más desfavorable a fin de asegurarnos que el funcionamiento de cualquier u nidad de la muestra estará dentro de lo esti ulado.
Diferencias
La diferencia principal es que l s pnp su base es negativa o sea solo pu edes aplicarle a su base tensión negativa y lo npn su bas es positiva solo le puede aplicar tensión po sitiva para que opere.
5. Cual es la importancia de los lementos semiconductores en el actual des rrollo tecnológico? Semiconductores: Presente, asado y Futuro.
Hoy en día una gran cantidad de aparatos con aplicaciones en investigación, cirugía o posicionamie p osicionamiento nto llevan dentro un semiconductor. Igual que los LEDs, esas bombillitas que y tenemos en todos lados
que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hasta en los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eran parte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Además, ya no sólo conducen la electricidad, sino que también pueden recoger y emitir luz. Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnológico, pero su objetivo primordial ya no es la miniaturización de las cosas, no, porque la palabra "miniaturización", irónicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevará una cámara de alta definición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento para guardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la l a nanotecnología. El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil de manejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente por una región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de la relación superficie - volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo que puede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas, como se pretende con la nanotecnología, da lugar a fenómenos completamente inesperados o difícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Ivan K. Schuller; (investigador de San Diego nacido en Rumanía) "Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno se encuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los límites de la Física uno se encuentra lo inesperado, que es mucho más interesante desde el punto de vista práctico."
Así pues, la investigación nanotecnológica está sufriendo un auténtico auge y una gran infinidad de proyectos de Física del Estado Sólido han sido rebautizados sólo para ponerles el prefijo "nano" en el nombre. Ya se han conseguido nanoláseres (2001) y nanodiodos superconductores (2003), sin embargo, todavía falta mucho para que la realidad supere a la ficción y que podamos ser capaces de construir los tan citados nanorrobots. Lo que sí es seguro es que los semiconductores jugarán un papel muy importante en todo esto. Se dice mucho que los superconductores serán el futuro, pero lo cierto es que por el momento es imposible fabricarlos a temperatura ambiente. Por lo que los semiconductores siguen siendo un "arma de futuro". De esto se han dado cuenta las grandes empresas y ya IBM e Intel están trabajando en la escala del nanómetro. Por el momento están en el límite de los 90 nm, pero su intención es llegar hasta los lo s 15 nm. Mirando en perspectiva, los semiconductores han recorrido un largo camino, en lo que a sus aplicaciones se refiere. Ahora hay un nuevo horizonte, el horizonte nanotecnológico. No sé a donde nos llevará, pero seguro que es muy, muy lejos. FASE 2 Simulación de Circuitos Electrónicos: realice la simulación de los siguientes circuitos y analice los
resultados obtenidos. 1. Polarización del Diodo Común. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Explique lo sucedido.
Principio de operación de un diodo El semiconductor semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y e l semiconductor tipo P
tiene huecos libres (ausencia o f lta de electrones) Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, l s electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P as allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una ten sión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando un tensión positiva se aplica al lado N y un a negativa al lado P, los electrones en el lado N son emp ujados al lado N y los huecos del lado P so empujados al lado P. El m aneras diferentes: diodo se puede hacer trabajar d e 2 maneras
Polarización directa Es cuando la corriente que circ la por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del del ánodo al cátodo. En este cas la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.
Polarización inversa En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consec uencia no hay corriente
Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto . 2. Aplicación del Diodo como Rectificador. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Anexe al informe las gráficas obtenidas en el osciloscopio. Compare la señal de entrada con la señal de salida. Explique lo sucedido. a) Rectificador de Media Onda
GUÍA
Proceso de rectificación
La corriente y voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es corriente alterna. Para que los artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar adecuadamente, la corriente alterna debe de convertirse en corriente continua. Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitos rectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltios AC u otro) a uno más bajo como 12 o 15 Voltios AC con ayuda de un transformador. A la salida del transformador se pone el circuito rectificador. La tensión en el secundario del transformador es alterna, y tendrá un semiciclo positivo y uno negativo b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz 3. Aplicación del Transistor como Amplificador. Construya el siguiente circuito y realice su simulación por medio del software Workbench. Anexe al informe las gráficas obtenidas en el osciloscopio. Compare la señal de entrada con la señal de salida. Explique lo sucedido.
GUIA
cuenta que la señal del Generador de Funciones Funciones es una onda seno, de 2 mV de Nota: Tenga en cuenta amplitud y 60 Hz (ver figura anterior)
CONCLUSIONES
Un conductor es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.
Un aislante es un material que se resiste al flujo f lujo de carga.
Un semiconductor es un material intermedio en su capacidad para transportar carga.
Un semiconductor tipo N contiene impurezas donadoras y electrones libres.
Un semiconductor tipo P esta formado por átomos aceptores y por huecos faltantes de electrones.
Los tipos de aislantes son dos: Eléctricos y Térmicos.
BIBLIOGRAFIA
Téllez Acuña, Freddy Reynaldo. Módulo De Física Electrónica 2006, UNAD. http://www.info-ab.uclm.es/labelec/S http://www.info-ab.uclm.es/labelec/Solar/Componentes/Diodo_I/ap olar/Componentes/Diodo_I/aplicacionesdiodorec.h licacionesdiodorec.htm tm http://www.garciacuervo.com/picmania. http://www.garciacuervo.com/picmania.garciacuervo.net/recu garciacuervo.net/recursos/RedPicTu rsos/RedPicTutorials/Electronica%20 torials/Electronica%20Bas Bas ica/Transistores%201.pdf http://www.wikiciencia.org/electronica/ http://www.wikiciencia.org/electronica/teoria/introduccion/inde teoria/introduccion/index.php x.php http://lc.fie.umich.mx/~ifranco/m http://lc.fie.umich.mx/~ifranco/mis_materias/ma is_materias/materia1/apuntes/cap teria1/apuntes/capitulo_4/Tipos_de_di itulo_4/Tipos_de_diodos.pdf odos.pdf http://www.mitecnologico.com/Main/Se http://www.mitecnologico.com/Main/SemiconductorPYSem miconductorPYSemiconductorN iconductorN http://html.rincondelvago.com/conductores-se http://html.rincondelvago.com/conductores-semiconductores-y-a miconductores-y-aislantes_1.h islantes_1.html tml
