Actividad 10

INTRODUCCION

Seguramente dependiendo la carrera que se estudie generara un interés mayor o menor el desarrollo de la asignatura física electrónica paro sin lugar a dudas es necesario el conocimiento de esta es necesaria para el desarrollo de nuestras carreras.

El siguiente trabajo colaborativo es de carácter casi practico ya que en este haremos simulaciones en el programa work bench, el cual nos permitirá de manera didáctica explicar el funcionamiento de algunos circuitos, además de ello se presenta una investigación sobre Conductores, Semiconductores y Aislantes, en el cual se maneja lo que es Teoría de Bandas de cada uno de los tres materiales, una lista de conductores del de mayor calidad al de menor, los tres tipos de semiconductores existentes que son muy útiles en nuestros tiempos y las diferentes clases de aislantes que como se verá.Adicionalmente enluciremos las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor; en donde para un mejor análisis y comprensión damos ejemplos claros y en algunos casos conocidos por todos nosotros.

Para la realización del presente trabajo nos basaremos en la segunda unidad del Módulo de Física Electrónica,

OBJETIVOS

Exponer las características de los materiales aislantes, semiconductores y conductores.

Dar a conocer los tipos de diodos, diferentes a los expuestos en el Modulo de Física Electrónica.

Identificar las características y diferencias de los transistores NPN y PNP

Simular mediante la plataforma de workbench para dar un análisis a los comportamientos de los circuitos y sus reacciones

FASE 1

Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al Módulo del curso de Física Electrónica

Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo

MATERIAL CARACTERISTICAS DIFERENCIA EJEMPLOS

AISLANTE No existe aislante absoluto.Su resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores

Estos poseen más de 4 electrones en la capa de valencia 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.

Ceramica, fibras de vidrio con un aglutinador plástico, vidrio, porcelana

CONDUCTOR Son los metales su estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido opacidad, excepto en capas muy finas buenos conductores eléctricos y térmicosNo 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. En los conductores solidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones. En los

menos de 4 electrones en la capa de valencia, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos

Cualquier material que tenga muy poca resistencia con la electricidad y que permita su paso es un conductor. Conductores Sólidos: Metales Características Físicas: buenos conductores eléctricos y térmicos. Características Químicas: Valencias positivas, tienden a formar óxidos básicos.Conductores Líquidos: El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidadConductores Gaseosos: Valencias negativas (se ioniza negativamente). Tienden a adquirir

conductores hay un fenómeno llamado superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prácticamente infinita.

electrones. Tienden a formar óxidos ácidos.ejemplo: oro, la plata, el aluminio, cobre, hierro, magnecio

SEMICONDUCTOR

Un semiconductor es una sustancia Este se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre, capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metalMaterial sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal.incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezasA temperaturas muy bajas, lossemiconductores puros se comportan como aislantes

posee 4 electrones en la capa de valencia Lamagnitud 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 elemento semiconductor más usado es el silicio. De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p²También es usado el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc

1. Cómo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qué cualidades o características adquiere este material con respecto al semiconductor puro?

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadoras de carga libres (en este caso, negativas).

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 donante ya que da algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo 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 está

débilmente vinculado al átomo y puede ser excitado fácilmente hasta la banda de conducción

Semiconductor Tipo P: Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. 

Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de valencia en un elemento de átomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga aparentemente positiva (porque los átomos siguen siendo neutros, debido a que tienen igual número de electrones que de protones) que tienen estos elementos. Estos átomos "extraños" que hemos añadido se recombinan con el resto pero nos queda un hueco libre que produce atracción sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. También se produce una circulación de estos huecos colaborando en la corriente

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo trivalente (típicamente del grupo IIIA de la tabla periódica, tales como el boro (B), el aluminio (Al), el Galio (Ga) o el Indio (In)) es sustituido dentro de la red cristalina. El resultado es la falta de uno de los cuatro electrones del enlace covalente de la red cristalina del silicio. De esta manera, el átomo dopante puede aceptar un electrón que proviene de los enlaces covalentes de los átomos vecinos, 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.

3. Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el LED, el zéner y el fotodiodo.ç

Diodo Shockley: es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky.

Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas alternadamente. Es un tipo de tiristor.

La característica V-I se muestra en la figura. La región I es la región de alta impedancia (OFF) y la III, la región de baja impedancia. Para pasar del estado OFF al ON, se aumenta la tensión en el diodo hasta alcanzar Vs, tensión de conmutación. La impedancia del diodo desciende bruscamente, haciendo que la corriente que lo atraviese se incremente y disminuya la tensión, hasta alcanzar un nuevo equilibrio en la región III (Punto B). Para volver al estado OFF, se disminuye la corriente hasta Ih, corriente de mantenimiento. Ahora el diodo aumenta su impedancia, reduciendo, todavía más la corriente, mientras aumenta la tensión en sus terminales, cruzando la región II, hasta que alcanza el nuevo equilibrio en la región I

En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensión positiva se llega a una tensión VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción.

Símbolo Modelo de conducción

El diodo Túnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.

- Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo túnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir).

- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye.

- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle"

- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

Todos los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales.

Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.

En el gráfico inferior se muestran las similitudes entre un diodo y un capacitor.Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.

Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente

Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).

La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.

Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo, es inversamente proporcional a estas

El efecto fue descubierto por John B. Gunn en 1963.El efecto Gunn es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores.Gunn observó esta característica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnéticos.Cuando se aplica un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.Construcción de un diodo Gunn - Electrónica UnicromAhora, si esta plaquita es conectada a un circuito sintonizado (generalmente una cavidad resonante), se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.Este efecto Gunn sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.

Estas oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para atravesar una plaquita de material tipo N cuando se aplica el voltaje en continua.Resistencia negativa en el diodo GunnEl Arseniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda de energía vacía más alta que la más elevada de las que se encuentran ocupadas parcial o totalmente.

Funcionamiento de resistencia positiva:

Cuando se aplica un voltaje a la plaquita (tipo N) de Arseniuro de Galio (GaAs), los electrones, que el material tiene en exceso, circulan y producen una corriente al terminal positivo.

Si se aumenta la tensión, la velocidad de la corriente aumenta. Comportamiento típico y el gráfico tensión-corriente es similar al que dicta la ley de Ohm.Funcionamiento de resistencia negativa:

Si a plaquita anterior se le sigue aumentando el voltaje, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, que normalmente está vacía, disminuyen su velocidad y por ende la corriente.

De esta manera una elevación del voltaje en este elemento causa una disminución de la corriente.

Eventualmente, el voltaje en la plaquita se hace suficiente para extraer electrones de la banda de mayor energía y menor movilidad, por lo que la corriente aumentará de nuevo con el voltaje.

La característica voltaje contra corriente se parece mucho a la del diodo Tunnel.La aplicación más común es la del oscilador Gunn

4. Cuáles son las principales características y diferencias existentes entre un transistor NPN y uno PNP..TRANSISTOR CARACTERISTICAS DIFERENCIASNPN  El transistor NPN es uno de los

dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Utilizan "partículas" subatómicas de signo Negativo para transportar la corriente.GeneralmenteMás usados hoy en día(mejor desempeño)El transistor 2n2222 permiten el paso de corriente desde colector hacia el emisor, cuando reciben un voltaje (mayor a 0,7V) en su base

La flecha que indica el sentido de la corriente sale hacia fuera (la corriente irá de colector a emisor)

PNP Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son

Utilizan "partículas" subatómicas de signo Positivo para transportar la corriente.Generalmente se construyen con Germanio  construidos con Silicio.Poco usados hoy en día

comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo (esto en cuanto a su simbología).

El transistor 2n3906, permiten el paso de corriente desde emisor hacia colector (que es en el sentido contrario de los NPN),cuando reciben un voltaje (menor a VCC-0,7) en su base

La flecha entra (la corriente irá de emisor a colector).

1. Cuál es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnológico

El acelerado desarrollo tecnológico que vivimos en las últimas décadas, nos ha llevado a adaptarnos rápidamente a nuevos conceptos e innovaciones. Dentro de un mundo necesitado de crecimiento y conocimiento, ha sido posible evolucionar desde gigantescas y costosas máquinas de cómputo a súper computadoras portátiles, teléfonos móviles, revolucionarios sistemas médicos y una amplia gama de herramientas electrónicas fácilmente adquiribles, producto del desarrollo de dispositivos semiconductores cada vez más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento como las memorias digitales portátiles con capacidades cada vez más grandes.

La evolución de la tecnología de los circuitos integrados que permite desarrollar sistemas cada vez más complejos está recogida en la denominada ley de Moore (1), pronosticada por Gordon Moore en y que puede ser enunciada de la siguiente manera: La capacidad de las memorias digitales de estado sólido aumenta a un ritmo de un factor de 2 cada 1.5 años (2). Lo anterior nos da una idea del máximo número de transistores por unidad de superficie que se puede integrar en un circuito; Siguiendo la ley de Moore, los circuitos integrados (CI) llegarán a tener densidades de 1012 bits / cm2 en aproximadamente 12 o 15 años. Comparando con el cerebro humano que contiene aproximadamente 1012 sinapsis / cm3 y haciendo la analogía entre una sinapsis y un bit, el sistema biológico y los circuitos integrados llegarán a tener densidades iguales dentro de 15 años.

Sin embargo, el aumento de la velocidad de respuesta y el número de transistores por chip han generado nuevos problemas para los diseñadores, quienes se han empeñado durante las últimas décadas en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no deseados que surgen con la miniaturización (3).

Los retos de la tecnología actual

Actualmente los fabricantes, producen los chips de una "oblea" de silicio cortada de un lingote de cristal. La fabricación de estructuras muy complejas se basa en procesos de múltiple deposición, modelado y grabado, similares a esculpir sobre mármol, sin embargo, cuanto más pequeña es la estructura (nano dimensiones), los fabricantes deben pagar costos muy altos debidos a que el proceso requiere alta fidelidad. Una máquina de modelado de precisión cuesta alrededor de 15 millones de dólares y la evolución en los procesos de miniaturización sugieren que este tipo de herramientas será cada vez más costoso, sin contar con que una fábrica puede necesitar 50 de estas máquinas (4).

Según los expertos, las fábricas no podrán soportar los elevados costos que el avance tecnológico requiere, además de enfrentar las limitaciones propias de la tecnología del silicio (a escalas tan pequeñas, los dispositivos empiezan mostrar comportamientos diferentes)

Ante esta perspectiva, muchos científicos han apostado por las nuevas tendencias nano tecnológicas como la litografía basada en el ribosoma y el denominado Self- assembly (auto ensamble), en el cual los dispositivos se construyen así mismos, con alta densidad y perfecta funcionalidad que los hace competitivos en la práctica.

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

Después de construido ambos circuitos se puede observar en la simulación de la parte derecha el indicador no enciende debido a que el diodo esta polarizado en inversamente con relación a la fuente de voltaje lo cual impide que la corriente pase a través del circuito.En la simulación de la parte izquierda el indicador enciende ya que el diodo se polariza en directamente debido a esto permite que la corriente circule por el circuito y el indicador se encienda (color rojo).

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

En el circuito podemos ver al diodo polarizado de manera directa esto deja que la corriente circule, hallamos otra reacción y esta es que la corriente hace un semi ciclo como el de un reóstato, es decir podríamos con este circuito hacer una especie de luces estroboscópicas.

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

Semiciclo positivo Los diodos D1 y D3 conducen dando lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga

semiciclo negativo los diodos D2 y D4 conducen dando lugar a otro semiciclo positivo en la resistencia de carga.

Cuando usamos los diodos D1,D2,D3,D4 son usados para rectificar la señal alterna el resultado sera siempre un semiciclo positivo en la resistencia de carga pues cuando no conduce por un lado, conduce por el otro, es lo que llamamos comúnmente corriente continua.

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

Viendo la estructura del circuito, este es muy parecido a un amplificador de sonido pero esta no está amplificando ninguna señal, la mantiene pues se puede ver la señal de entrada que tiene una amplitud de 2 mv, y en el osciloscopio se ve la misma amplitud, sin que en esta se efectuara ningún cambio, podría decir que es un circuito de acople de señal, o acople de impedancias, tal vez por el voltaje tan reducido, el objetivo de estos circuitos parece ser el de mantener la señal

CONCLUSIONES

Con este trabajo se pudo ampliar los conocimientos adquiridos con el apoyo de otras ayudas académicas, al investigar un tema extenso y claro como lo es Semiconductores describiendo algunas de sus principales características y diferencias.

Teniendo en cuenta la practicidad de la realización del trabajo se pudo conocer más acerca del funcionamiento y aplicaciones de los componentes que se investigaron

Se conocieron otros tipos de semiconductores diferentes a los expuestos en el modulo

Bibliografía

Téllez Acuña Freddy Reynaldo, 2008, módulo de física electrónica (UNAD)

http://www.geocities.ws/pnavar2/semicon/tipos.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/201419/contLinea/leccin_26_diodos_de_cuatro_capas.htmlhttp://transistores--pnp-npn.wikispaces.com/http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena4/4q2_contenidos_5a.htmhttp://platea.pntic.mec.es/~jalons3/SEMICON/htm/npnpnp.htm

http://www.electronica2000.com