TC2 FISICA ELECTRONICA

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Universidad Nacional Abierta Y A Distancia - UNADFacultad De Ciencias Básicas E Ingeniería

Física ElectrónicaTrabajo Colaborativo 2

Octubre de 2008



OBJETIVOS

Conocer la teoría básica de los aisladores, conductores y 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 1Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Porfavor consulte otras fuentes adicionales al Módulo del curso de Física Electrónica.

1. Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, unconductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo.Teoría De Bandas Definición: Los electrones pueden ocupar un número discreto de niveles de energía, pueden tener solamenteaquellas energías que caen dentro de las bandas permitidas . La banda donde se muevennormalmente los electrones de valencia se conoce como banda de valencia, y los electrones que semueven 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. Noexiste banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace quesiempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Estaconductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de losátomos 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 locual casi impide que los electrones se muevan con mayor libertad y facilidad. La magnitud de la bandaprohibida es muy grande (6 eV), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en labanda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, laconductividad 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 separadaspor 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 bandaprohibida es pequeña ( 1 eV ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conformeaumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda deconducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendoimpurezas 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 queun material ya sea sólido o liquido con una resistividad intermedia entre la de un conductor y la de unaislador.Gracias a los semiconductores la tecnología del estado sólido a sido reemplazada por completo a lostubos al vació, estos materiales están formados por electrones externos de un átomo, y los cuales sonconocidos como electrones de valencia.Existen dos tipos de semiconductores los de tipo N y los de tipo P y la unión de estos dos formandoasí un tercero llamado unión PN.



Semiconductor Tipo N: Este tipo de semiconductor trata de emparejar los materiales con respecto a sus cargas y lo realizacon 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 negativo).El material semiconductor de tipo N comercial se fabrica añadiendo a un cristal de silicio pequeñascantidades controladas de una impureza seleccionada. A estas impurezas también se les llamacontaminantes, claro así se le llaman a las impurezas que se agregan intencionalmente. Loscontaminantes 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 pasascargas a el material que le hace falta para así poder emparejar este material, y es por eso que se lesconoce mayormente como donadores.

Semiconductor Tipo P: El semiconductor tipo P se produce también comercialmente por el proceso de contaminación, en este

caso el contaminante tiene una carga menos que el semiconductor tipo N, entre los más comunespodemos encontrar el aluminio, boro, galio y el indio. Conocidos como aceptores el cual contieneespacios 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 masimportante y relevante es la formación del tipo unión PN. Una unión se compone de tres regionessemiconductoras, 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 lesobran al tipo N pasan a llenar los espacios que deja el tipo P así complementándose uno con otro. Lomás importante de la unión es su capacidad para pasar corriente en una sola dirección.

2. Cómo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qué cualidades o características adquiereeste material con respecto al semiconductor puro?Semiconductor P.Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipode compuesto, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia, alsemiconductor 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 vinculadosde 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, unaimpureza 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 elsemiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se hadesplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve “expuesto” y enbreve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta cargapositiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente laexcitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que loselectrones 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 demanera natural.



Semiconductor Tipo N.Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipode 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 másdébilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambiénconocido como material donanador ya que cede uno de sus electrones al semiconductor. El propósitodel dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar aentender como se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del siliciotienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de losátomos 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 redcristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes yun 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 loselectrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa deque los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que “dar”, son llamadosátomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un iondopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta finalde 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 elestado 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 enelectrones.Diodo de señal.Diodo semiconductor empleado para la detección o tratamiento de una señal eléctrica de bajapotencia.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 unasucesión 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 elimina el almacenamientode carga y el tiempo de recuperación. Un diodo Schottky puede rectificar corrientes de frecuenciasuperior a 300Mhz.Diodo Schokley.Diodo de cuatro capas p-n-p-n utilizado en los circuitos de conmutación rápida. Además, la tensióndirecta de este diodo es más baja que en la de un diodo semiconductor de dos regiones.



4. Cuales son las principales cNPN.Determinación del tipo de t

(recordemos, negativo de la btransistor es del tipo NPN; si pobaja con los otras patillas del traExisten dos tipos transistores:lo indica la flecha que se ve en eEl transistor es un dispositivoemisor (E), coincidiendo siemtransistor.

TRANSISTOR NEl transistor bipolar es un acantidad de corriente por unamayor a ésta, en un factor que s

CaracterísticasEste efecto resulta en una "aimportante de los transistores y

electrónicos. Esta amplificaciónde carga y la tensión aplicada enLos transistores, según sea la tecaracterísticas: Bipolares, Fet, MEl estudio y análisis de los trandel mismo, con las cuales se pueléctrico del transistor, siendo éfunción de las tensiones exterComún (BC) y Colector Común (También es importante conocerpara poder emplear, en los cálcel funcionamiento de cualquier u

DiferenciasLa diferencia principal es que ltensión negativa y lo npn su bas

5. Cual es la importancia de los

Semiconductores: Presente,

Hoy en día una gran cantidad dellevan dentro un semiconductor.

racterísticas y diferencias existentes entre

ansistor: Si la punta que tenemos conec

tería), y con los otros dos terminales nel contrario, con esta punta conectada a lsistor, el transistor es del tipo PNP.

el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de ll gráfico de cada tipo de transistor.de 3 patillas con los siguientes nombres: bpre, el emisor, con la patilla que tiene la

N. TRANSISTOR PNP. plificador de corriente, esto quiere decir qe sus patillas (base), el entregará por otre llama amplificación.

mplificación de tensión", que es una deel motivo por el cual son de uso casi impre

e tensión se calcula como la relación entretre las junturas base-emisor.nología de fabricación, se clasifican en gransfes, Uni unión.istores se realiza mediante el empleo de lde caracterizar completamente el comport

sta expresada en relaciones gráficas de lasas y para las distintas configuraciones: EC).los valores máx, mín y típico de las caractelos, el valor que resultare más desfavorablenidad de la muestra estará dentro de lo esti

s pnp su base es negativa o sea solo pues positiva solo le puede aplicar tensión po

lementos semiconductores en el actual des

asado y Futuro.

aparatos con aplicaciones en investigación,Igual que los LEDs, esas bombillitas que y

un transistor PNP y uno

ada a la base es la roja

s da resistencia alta, elbase, nos da resistencia

a corriente en cada caso,

ase (B), colector (C) yflecha en el gráfico de

e si le introducimos unaa (emisor), una cantidad

las características másscindible en los montajes

l voltaje en la resistenciaes grupos con diferentes

s "curvas características"miento o funcionamientocorrientes Ib, Ic e Ie, enisor Común (EC), Base

rísticas más importantes,a fin de asegurarnos queulado.

edes aplicarle a su basesitiva para que opere.

rrollo tecnológico?

cirugía o posicionamientotenemos en todos lados



que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hastaen los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eranparte 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 objetivoprimordial 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 altadefinición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento paraguardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la nanotecnología.El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil demanejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente poruna región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de larelación superficie - volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo quepuede 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 odifícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Ivan K. Schuller; (investigador de SanDiego 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 deproyectos de Física del Estado Sólido han sido rebautizados sólo para ponerles el prefijo "nano" en elnombre.

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 construirlos 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 esque por el momento es imposible fabricarlos a temperatura ambiente. Por lo que los semiconductoressiguen siendo un "arma de futuro". De esto se han dado cuenta las grandes empresas y ya IBM eIntel 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 15 nm.Mirando en perspectiva, los semiconductores han recorrido un largo camino, en lo que a susaplicaciones se refiere. Ahora hay un nuevo horizonte, el horizonte nanotecnológico. No sé a dondenos llevará, pero seguro que es muy, muy lejos.

FASE 2Simulación 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 mediodel software Workbench. Explique lo sucedido.



Principio de operación de unEl semiconductor tipo N tienetiene huecos libres (ausencia o f

Cuando una tensión positiva seson empujados al lado P y lossemiconductor.De igual manera los huecos enmaterial N y los huecos fluyen aEn el caso opuesto, cuando unelectrones en el lado N son empdiodo se puede hacer trabajar d

Es cuando la corriente que circánodo al cátodo. En este casprácticamente como un corto ci

En este caso los electrones en el

diodo electrones libres (exceso de electrones) y elta de electrones)

aplica al lado P y una negativa al lado N, lelectrones fluyen a través del material P

el material P son empujados con una tentravés del material N.

tensión positiva se aplica al lado N y unujados al lado N y los huecos del lado P soe 2 maneras diferentes:

Polarización directala por el diodo sigue la ruta de la flechala corriente atraviesa el diodo con mucha

rcuito.

Polarización inversasemiconductor no se mueven y en consec

l semiconductor tipo P

s electrones en el lado Nas allá de los límites del

sión negativa al lado del

a negativa al lado P, losempujados al lado P. El

(la del diodo), o sea delfacilidad comportándose

uencia no hay corriente



Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), osea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comportaprácticamente como un circuito abierto.

2. Aplicación del Diodo como Rectificador. Construya los siguientes circuitos y realice su simulaciónpor 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 rectificaciónLa corriente y voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es corrientealterna. Para que los artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar adecuadamente, lacorriente alterna debe de convertirse en corriente continua.Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitosrectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltios AC u otro) a uno másbajo 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 unonegativo

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

3. Aplicación del Transistor como Amplificador. Construya el siguiente circuito y realice su simulaciónpor 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

Nota: Tenga en cuenta que la señal del Generador de Funciones es una onda seno, de 2 mV deamplitud 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 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/Solar/Componentes/Diodo_I/aplicacionesdiodorec.htmhttp://www.garciacuervo.com/picmania.garciacuervo.net/recursos/RedPicTutorials/Electronica%20Basica/Transistores%201.pdf http://www.wikiciencia.org/electronica/teoria/introduccion/index.phphttp://lc.fie.umich.mx/~ifranco/mis_materias/materia1/apuntes/capitulo_4/Tipos_de_diodos.pdf http://www.mitecnologico.com/Main/SemiconductorPYSemiconductorNhttp://html.rincondelvago.com/conductores-semiconductores-y-aislantes_1.html

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