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Universidad Nacional Abierta Y A Distancia - UNADFacultad De Ciencias Bsicas E Ingeniera

Fsica ElectrnicaTrabajo Colaborativo 2

Octubre de 2008


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OBJETIVOS

Conocer la teora bsica de los aisladores, conductores y semi-conductores.

Analizar los diferentes tipos de diodos y su empleo en la electrnica.

Estudiar la evolucin y el funcionamiento del transistor, la forma en que operan en losdiferentes equipos electrnicos que los utilizan.

Estudiar mediante la simulacin de circuitos electrnicos las diferentes variantes que nospermiten realizar en el momento de elaborar un circuito.


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FASE 1Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Porfavor consulte otras fuentes adicionales al Mdulo del curso de Fsica Electrnica.

1. Enuncie las principales caractersticas y diferencias existentes entre un material aislante, unconductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo.Teora De BandasDefinicin:Los electrones pueden ocupar un nmero discreto de niveles de energa, pueden tener solamenteaquellas energas 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 conduccin.

Conductores:Para los conductores la banda de conduccin y la de valencia se traslapan, en este

caso, el traslape favorece ya que as los electrones se mueven por toda la banda de conduccin. Noexiste banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conduccin. Esto hace quesiempre haya electrones en la banda de conduccin, por lo que su conductividad es muy elevada. Estaconductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de lostomos de la red cristalina.Un ejemplo son todos los metales.

Aislantes:En este caso las bandas de valencia y conduccin 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 elctrica 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 pequea separacin hace que sea relativamente fcil moverse,no con una gran libertad pero no les hace imposible el movimiento. La magnitud de la bandaprohibida es pequea ( 1 eV ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conformeaumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energa dentro de la banda deconduccin, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es aadiendoimpurezas que habiliten niveles de energa dentro de la banda prohibida.El germanio y el silicio son semiconductores.

Tipos De SemiconductoresPrimero que nada tenemos que definir claramente lo que es un semiconductorel cual no es ms queun material ya sea slido o liquido con una resistividad intermedia entre la de un conductor y la de unaislador.Gracias a los semiconductoresla tecnologa del estado slido a sido reemplazada por completo a lostubos al vaci, estos materiales estn formados por electrones externos de un tomo, y los cuales sonconocidos como electrones de valencia.Existen dos tipos de semiconductoreslos de tipo N y los de tipo P y la unin de estos dos formandoas un tercero llamado unin PN.


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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 aadiendo a un cristal de silicio pequeascantidades controladas de una impureza seleccionada. A estas impurezas tambin se les llamacontaminantes, claro as se le llaman a las impurezas que se agregan intencionalmente. Loscontaminantes de tipo N ms comunes son el fsforo, arsnico y antimonio. A estos semiconductoresse les conoce tambin como donadores, y como este nombre lo indica estos semiconductorespasascargas a el material que le hace falta para as poder emparejar este material, y es por eso que se lesconoce mayormente como donadores.

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

caso el contaminante tiene una carga menos que el semiconductor tipo N, entre los ms 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 Unin Pn:Al combinar los materiales de tipo P y N se obtienen datos y cosas muy curiosas pero lo masimportante y relevante es la formacin del tipo uninPN. Una unin se compone de tres regionessemiconductoras, la regin tipo P, una regin de agotamiento y la regin tipo N.La regin de agotamiento se forma al unir estos dos materiales y aqu es donde los tomos que lesobran al tipo N pasan a llenar los espacios que deja el tipo P as complementndose uno con otro. Loms importante de la unin es su capacidad para pasar corriente en una sola direccin.

2.Cmo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qu cualidades o caractersticas adquiereeste material con respecto al semiconductor puro?Semiconductor P.Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, aadiendo un cierto tipode compuesto, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia, alsemiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso positivos,huecos). Cuando el material dopante es aadido, ste libera los electrones ms dbilmente vinculadosde los tomos del semiconductor. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptador.El propsito 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 difusin, uno de los

tomos vecinos le ceda un electrn completando as sus cuatro enlaces. As los dopantes crean loshuecos. Cada hueco est asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que elsemiconductor se mantiene elctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se hadesplazado por la red, un protn del tomo situado en la posicin del hueco se ve expuesto y enbreve se ve equilibrado por un electrn. Por esta razn un hueco se comporta como una cierta cargapositiva. Cuando un nmero suficiente de aceptores son aadidos, los huecos superan ampliamente laexcitacin trmica de los electrones. As, 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.


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Semiconductor Tipo N.Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipode compuesto, normalmente pentavalente, es decir con 5 electrones en la capa de valencia, al

semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso,negativos, electrones libres). Cuando el material dopante es aadido, ste aporta sus electrones msdbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambinconocido como material donanador ya que cede uno de sus electrones al semiconductor. El propsitodel dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar aentender como se produce el dopaje tipo N considrese el caso del silicio (Si). Los tomos del siliciotienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de lostomos de silicio adyacentes. Si un tomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo

VA de la tabla peridica (ej. fsforo (P), arsnico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la redcristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentes yun electrn no enlazado. Este electrn extra da como resultado la formacin de electrones libres, el

nmero de electrones en el material supera ampliamente el nmero de huecos, en ese caso loselectrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa deque los tomos con cinco electrones de valencia tienen un electrn extra que dar, son llamadostomos donadores. Ntese que cada electrn libre en el semiconductor nunca est lejos de un iondopante positivo inmvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga elctrica neta finalde cero.

3.Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el LED, el zner y el fotodiodo.Diodo de conmutacin.Diodo semiconductor diseado para presentar una transicin rpida entre el estado conduccin 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 seal.Diodo semiconductor empleado para la deteccin o tratamiento de una seal elctrica de bajapotencia.Diodo de unin.Diodo formado por la unin de un material semiconductor tipo n y otro semiconductor tipo p.Diodo Gunn.Dispositivo semiconductor impropiamente calificado de diodo ya que no contiene una unin sino unasucesin de tres capas tipo n ms o menos dopadas. En presencia de campos elctricos 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 recuperacin. 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 conmutacin rpida. Adems, la tensindirecta de este diodo es ms baja que en la de un diodo semiconductor de dos regiones.


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4. Cuales son las principales cNPN.Determinacin 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 transistores un dispositivoemisor (E), coincidiendo siemtransistor.

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

CaractersticasEste efecto resulta en una "aimportante de los transistores y

electrnicos. Esta amplificacinde carga y la tensin aplicada enLos transistores, segn sea la tecaractersticas: Bipolares, Fet, MEl estudio y anlisis de los trandel mismo, con las cuales se puelctrico del transistor, siendo funcin de las tensiones exterComn (BC) y Colector Comn (Tambin es importante conocerpara poder emplear, en los clcel funcionamiento de cualquier u

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

5.Cual es la importancia de los

Semiconductores: Presente,

Hoy en da una gran cantidad dellevan dentro un semiconductor.

ractersticas y diferencias existentes entre

ansistor: Si la punta que tenemos conec

tera), 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 direccin del flujo de ll grfico 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 entregar por otr

e llama amplificacin.

mplificacin de tensin", que es una deel motivo por el cual son de uso casi impre

e tensin se calcula como la relacin entretre las junturas base-emisor.nologa de fabricacin, se clasifican en gransfes, Uni unin.istores se realiza mediante el empleo de lde caracterizar completamente el comport

sta expresada en relaciones grficas de lasas y para las distintas configuraciones: EC).los valores mx, mn y tpico de las caractelos, el valor que resultare ms desfavorablenidad de la muestra estar dentro de lo esti

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

lementos semiconductores en el actual des

asado y Futuro.

aparatos con aplicaciones en investigacin,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 grfico de

e si le introducimos unaa (emisor), una cantidad

las caractersticas msscindible en los montajes

l voltaje en la resistenciaes grupos con diferentes

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

rsticas ms importantes,a fin de asegurarnos queulado.

edes aplicarle a su basesitiva para que opere.

rrollo tecnolgico?

ciruga o posicionamientotenemos en todos lados


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que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semforos de la calle hastaen los ratones pticos de sobremesa. Los semiconductores no slo estaban por doquier, sino que eranparte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Adems, ya no slo conducen la

electricidad, sino que tambin pueden recoger y emitir luz.Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnolgico, pero su objetivoprimordial ya no es la miniaturizacin de las cosas, no, porque la palabra "miniaturizacin",irnicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevar una cmara de altadefinicin en su alfiler de corbata, adems llevar una impresora lser y un compartimento paraguardar el ticket del parking. Ahora el futuro est en la nanotecnologa.El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnologa no es que todo sea ms pequeo y difcil demanejar, tampoco la gran disipacin que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente poruna regin tan pequea, ni la gran friccin que sufren los materiales por el importante valor de larelacin superficie - volumen, sino que la Fsica subyacente es la Fsica Cuntica, un modelo quepuede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas,

como se pretende con la nanotecnologa, da lugar a fenmenos completamente inesperados odifcilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Ivan K. Schuller; (investigador de SanDiego nacido en Rumana) "Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno seencuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los lmitesde la Fsica uno se encuentra lo inesperado, que es mucho ms interesante desde el punto de vista

prctico."As pues, la investigacin nanotecnolgica est sufriendo un autntico auge y una gran infinidad deproyectos de Fsica del Estado Slido han sido rebautizados slo para ponerles el prefijo "nano" en elnombre.

Ya se han conseguido nanolseres (2001) y nanodiodos superconductores (2003), sin embargo,todava falta mucho para que la realidad supere a la ficcin y que podamos ser capaces de construirlos tan citados nanorrobots. Lo que s es seguro es que los semiconductores jugarn un papel muy

importante en todo esto. Se dice mucho que los superconductores sern 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 eIntelestn trabajando en la escala del nanmetro. Por el momento estn en el lmite de los 90 nm,pero su intencin 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 nanotecnolgico. No s a dondenos llevar, pero seguro que es muy, muy lejos.

FASE 2Simulacin de Circuitos Electrnicos: realice la simulacin de los siguientes circuitos y analice los

resultados obtenidos.1. Polarizacin del Diodo Comn. Construya los siguientes circuitos y realice su simulacin por mediodel software Workbench. Explique lo sucedido.


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Principio de operacin de unEl semiconductor tipo Ntienetiene huecos libres (ausencia o f

Cuando unatensinpositiva 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 empdiodose puede hacer trabajar d

Es cuando la corriente que circnodo al ctodo. En este casprcticamente como un corto ci

En este caso los electrones en el

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

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

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

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

Polarizacin directala por el diodosigue la ruta de la flechala corriente atraviesa el diodo con mucha

rcuito.

Polarizacin inversasemiconductorno se mueven y en consec

l semiconductor tipo P

s electrones en el lado Nas all de los lmites del

sin negativa al lado del

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

(la del diodo), o sea delfacilidad comportndose

uencia no haycorriente


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

2. Aplicacin del Diodo como Rectificador. Construya los siguientes circuitos y realice su simulacinpor medio del software Workbench. Anexe al informe las grficas obtenidas en el osciloscopio.Compare la seal de entrada con la seal de salida. Explique lo sucedido.a) Rectificador de Media Onda

GUA

Proceso de rectificacinLa corriente y voltaje que las compaas distribuyen a nuestras casas, comercios u otros es corrientealterna. Para que los artefactos electrnicos que all tenemos puedan funcionar adecuadamente, lacorriente alterna debe de convertirse en corriente continua.Para realizar esta operacin se utilizan diodos semiconductores que conforman circuitosrectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red (110 / 220 voltios AC u otro) a uno msbajo como 12 o 15 Voltios AC con ayuda de un transformador. A la salida del transformador se pone

el circuito rectificador.La tensin en el secundario del transformador es alterna, y tendr un semiciclo positivo y unonegativo

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

3. Aplicacin del Transistor como Amplificador. Construya el siguiente circuito y realice su simulacinpor medio del software Workbench. Anexe al informe las grficas obtenidas en el osciloscopio.Compare la seal de entrada con la seal de salida. Explique lo sucedido.


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GUIA

Nota: Tenga en cuenta que la seal del Generador de Funciones es una onda seno, de 2 mV deamplitud y 60 Hz (ver figura anterior)


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CONCLUSIONES

Un conductores un material a travs del cual se transfiere fcilmente la carga.

Un aislantees un material que se resiste al flujo de carga. Un semiconductores 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 tomos aceptores y por huecos faltantes deelectrones.

Los tipos de aislantes son dos: Elctricos y Trmicos.


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BIBLIOGRAFIA

Tllez Acua, Freddy Reynaldo. Mdulo De Fsica Electrnica 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.pdfhttp://www.wikiciencia.org/electronica/teoria/introduccion/index.phphttp://lc.fie.umich.mx/~ifranco/mis_materias/materia1/apuntes/capitulo_4/Tipos_de_diodos.pdfhttp://www.mitecnologico.com/Main/SemiconductorPYSemiconductorNhttp://html.rincondelvago.com/conductores-semiconductores-y-aislantes_1.html

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