ACT 10: TRABAJO COLABORATIVO NO 2

FISICA ELECTRONICA

JOHANNA MERCHAN COD.46387189

FASE 1 Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al Mdulo del curso de Fsica Electrnica. 1. Enuncie las principales caractersticas y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo. MATERIALES CONDUCTORES: Materiales a travs de los cuales la corriente fluye con relativa facilidad y sin descomponerse fsicamente. Estas condiciones excluyen casos especiales en los que puede existir conduccin elctrica en medios que no suelen denominarse "materiales conductores", como el aire durante una tormenta y una sal en la electrlisis. Incluso a travs del vaco de un acelerador de protones, hay una corriente elctrica, pero el vaco no es un medio, por lo tanto, no puede ser un conductor. Aunque en la actualidad se estn desarrollando polmeros (plsticos, gomas) conductores, el trmino "material conductor" se refiere a cables y alambres metlicos, en redes y circuitos, compuestos por metales puros o por mezclas homogneas de metales puros (aleaciones). Las principales aplicaciones de un conductor elctrico son el transporte de energa elctrica (cables de la red elctrica domiciliaria, de alta tensin, aparatos elctricos, actuadores, iluminacin, automviles, etc.), transporte de seales (transmisores/receptores, computadores, automviles, etc.), y fabricacin de componentes electrnicos (conectores, placas de circuito impreso, resistencias, condensadores, transistores, circuitos integrados, sensores, etc.). Ejemplos: Metales como plata, cobre, oro y aluminio se cuentan entre los mejores conductores.

MATERIALES AISLANTES: Materiales que no conducen electricidad, pero hay que tener en cuenta que NO existen materiales completamente no conductores. Los materiales aislantes tienen la funcin de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalacin) y proteger a las personas frente a las tensiones elctricas (aislamiento protector) La mayora de los no metales son apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes. Existen muchos materiales aisladores, pero se debe tener en cuenta sus propiedades para la aplicacin en la que se necesite, es importante aclarar que la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, por lo tanto cada gama de aisladores tienen una gama de temperaturas de trabajo. Ejemplos: Cermica, vidrio, plstico, goma, papel seco, aire, etc.

MATERIALES SEMICONDUCTORES: Materiales como el silicio o el germanio, que son pobres conductores de la electricidad, hasta que son dopados con pequeas cantidades de otros materiales como arsnico, fsforo o boro. Los semiconductores se utilizan para construir dispositivos como diodos, leds y transistores La mayor parte de los dispositivos electrnicos modernos estn fabricados a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se insertan en un circuito elctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista fsico. Por ello, en este tema se presentan las propiedades y caractersticas fundamentales de este tipo de materiales.

Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situacin intermedia: a la temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportacin de energa puede modificarse esta situacin, adquiriendo un comportamiento ms cercano al de los conductores. un semiconductor es un material formado a partir de un material puro que intrnsecamente no tiene portadores de carga libres, pero que est "dopado" con cierta cantidad de cierto tipo de impurezas, que lo convierten en un material capaz de conducir corriente elctrica de un modo particular. En general, este modo de conduccin es similar a los metales en cuanto a:

(1) la mayora de los portadores de carga son negativos (si el semiconductor es tipo-n), (2) conducen sin descomponerse qumicamente, (3) la corriente fluye con cierta facilidad (aunque con mayor resistencia que en los metales), Tipos de Semiconductores: Semiconductores intrnsecos Es un cristal de silicio o Germanio que forma una estructura tetradrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus tomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energa necesaria para saltar a la banda de conduccin dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energas requeridas, a temperatura ambiente, son de 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energtico correspondiente a la banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberando energa. A este fenmeno se le denomina recombinacin. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creacin de pares e-h, y de recombinacin se igualan, de modo que la concentracin global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentracin de electrones (cargas negativas) y "p" la concentracin de huecos (cargas positivas), se cumple que: ni = n = p

Siendo ni la concentracin intrnseca del semiconductor, funcin exclusiva de la temperatura y del tipo de elemento. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente elctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes elctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos prximos, originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la direccin contraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conduccin.

Semiconductores extrnsecos Si a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade un pequeo porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio. Hoy en dia se han logrado aadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificacin del material.

2. CMO SE OBTIENE UN SEMICONDUCTOR TIPO N Y UNO TIPO P? Cuando al dopar introducimos tomos con tres electrones de valencia en un elemento de tomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga aparentemente positiva (porque los tomos siguen siendo neutros, debido a que tienen igual nmero de electrones que de protones) que tienen estos elementos. Estos tomos "extraos" que hemos aadido se recombinan con el resto pero nos queda un hueco libre que produce atraccin sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. Tambin se produce una circulacin de estos huecos colaborando en la corriente. Sin embargo, si los tomos aadidos tienen cinco electrones en su ltima capa el semiconductor se denomina de tipo N, por ser potencialmente ms negativo

que uno sin dopar. En este tipo de materiales tenemos un quinto electrn que no se recombina con los dems y que, por tanto, est libre y vaga por el elemento produciendo corriente. Para hacerse una idea de las cantidades que entran en juego en esto del dopaje se podra decir que se introduce un tomo extrao por cada doscientos millones de tomos del semiconductor.

Hasta ahora hemos descrito la corriente elctrica como el paso de electrones de un lado a otro pero ha llegado el momento de aumentar este concepto. Como hemos visto la aparicin de un hueco produce el movimiento de un electrn hacia l dejando de nuevo un hueco al que ir otro electrn. Este movimiento puede verse desde dos puntos de vista. El primero es el del electrn movindose de derecha a izquierda, el segundo sera el del hueco desplazndose de izquierda a derecha. Pues bien, no es correcto ni uno ni otro, sino los dos a la vez. Hay que pensar que tan importante es un movimiento como el otro, y que la corriente elctrica hemos de concebirla como la suma de los dos. Como veremos, en unos casos ser ms importante, cuantitativamente hablando, la corriente creada por el movimiento de los electrones y, sin embargo, en otros lo ser la creada por los huecos. Se ha adoptado por convenio que la corriente elctrica lleva el sentido de los huecos, es decir, cuando seguimos el sentido de los electrones la corriente es negativa y positiva en caso contrario. Debemos dividir a los semiconductores en dos grupos: intrnsecos y extrnsecos. Los semiconductores extrnsecos son aquellos a los que se les ha dopado de alguna forma, produciendo as un semiconductor tipo P o del tipo N. Y los intrnsecos son los que no han sufrido ninguna clase de dopaje

Puesto que el paso de electrones a travs de cualquier material siempre produce calor nos va a ser imposible separar los efectos producidos por el dopaje y el aumento de temperatura en un semiconductor; as que ambos efectos se suman y la circulacin de electrones y huecos va a ser mayor.

Portadores mayoritarios y minoritarios

No est completa nuestra explicacin sin comentar brevemente lo que se conoce con el nombre de portadores mayoritarios y minoritarios.

Cuando existe corriente dentro de un material hemos visto que es debida a electrones movindose hacia un lado y a huecos desplazndose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros no tienen por qu ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la corriente. Llamamos portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en mayor medida y, obviamente, los minoritarios sern aquellos que lo hagan en menor medida. Si tenemos un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios sern los electrones que le sobran por el dopaje junto con los electrones que saltan debido al calor y los portadores minoritarios sern los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el contrario, en un semiconductor tipo P los portadores mayoritarios sern los huecos que tiene en exceso por el dopaje ms los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que los portadores minoritarios sern los electrones que han saltado de su sitio.

QU CUALIDADES O CARACTERSTICAS ADQUIERE ESTE MATERIAL CON RESPECTO AL SEMICONDUCTOR PURO?

Un semiconductor PURO es el mismo llamado Intrnseco; Entonces Los semiconductores extrnsecos se caracterizan, porque tienen un pequeo porcentaje de impurezas, respecto a los intrnsecos; esto es, posee elementos trivalentes o pentavalentes, o lo que es lo mismo, se dice que el elemento est dopado. Las corrientes que se generan en el seno de un semiconductor intrnseco a temperatura ambiente son insignificantes, y para aumentarlas se les aaden otros cuerpos, que se denominan impurezas. La forma como circula la corriente en los semiconductores extrnsecos: Si a un semiconductor del tipo N se le aplica una tensin entre sus extremos se produce un gran movimiento de electrones (portadores mayoritarios) hacia el borne positivo, mientras que los huecos, al existir en tan escaso nmero, provocarn una debilsima corriente en sentido contrario. Por cada electrn que sale del semiconductor N, atrado hacia el polo positivo de la pila, hay otro que

desprende el borne negativo de la pila y lo introduce en la estructura, por lo que esta mantiene siempre la misma concentracin de portadores mayoritarios. Tambin al aplicar una tensin a un semiconductor de tipo P se producen dos corrientes de portadores: una muy importante, de huecos (carga positiva) y otra, casi despreciable, de electrones (carga negativa). As que, resumiendo, diremos que la concentracin inicial de portadores mayoritarios y minoritarios se mantiene en la estructura del semiconductor extrnseco al aplicarle una diferencia de potencial, porque la misma cantidad que absorbe un borne de la alimentacin lo aporta el otro.

3. CONSULTE SOBRE OTROS TIPOS DE DIODOS, DIFERENTES AL RECTIFICADOR, EL LED, EL ZNER Y EL FOTODIODO.

El diodo Schottky:

A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fcilmente cuando la polarizacin cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutacin puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky es la solucin ya que puede conmutar ms rpido que un diodo normal. El diodo Schottky con polarizacin directa tiene 0,25 V de

barrera de potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a frecuencias superiores a 300 MHz. Diodo varicap:

El diodo varicap fue un invento que realizaron Sanford Barnes, Sherman Oaks y John Mann en 1958 trabajando para Pacific Semiconductors (PSI) en California. Ya se conocan los fenmenos fsicos que permitan aprovechar los cambios de capacidad elctrica en funcin de la tensin aplicada a un diodo, pero el primer trabajo en conseguir un mtodo estable de fabricacin y repetividad en los dispositivos fue el creado por Sanford Barners, Sherman Oaks y Jhon Mann.

La utilizacin ms solicitada para este tipo de diodos es la de sustituir los sistemas mecnicos de capacitador variable en etapas de sintonia en todo tipo de equipos de emisin y recepcin,como pude ser en la sintonia de televisin, modulacin de frecuencia en transmisin de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje. El diodo de capaciad variable basa su funcionamiento en el fenmeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unin PN varie en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Si aumentamos la tensin, aumenta la anchura de la barrera, haciendo que disminuya la capacidad del diodo. Haciendo esto obtenemos un condensador variable controlado por tensin.

Diodo Tnel:

El Diodo tnel es un diodo semiconductor que tiene una unin pn, en la cual se produce el efecto tnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la caracterstica corrientetensin.

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilizacin como componente activo (amplificador/oscilador). Tambin se conocen como diodos Esaki, en honor del hombre que descubri que una fuerte contaminacin con impurezas poda causar un efecto de tunelizacin de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unin. Una caracterstica importante del diodo tnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarizacin directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo tnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que estn relativamente libres de los efectos de la radiacin.

4. CULES SON LAS PRINCIPALES CARACTERSTICAS Y DIFERENCIAS EXISTENTES ENTRE UN TRANSISTOR NPN Y UNO PNP.

ESTRUCTURA FSICA:

Los modelos fsicos de los transistores PNP y NPN se muestran en la figura anterior. La zona central se denomina "Base", mientras que las zonas externas se denominan respectivamente "Emisor" y "Colector". El funcionamiento de los transistores se basa en la posibilidad de controlar la corriente que fluye entre Colector y Emisor a travs de la aplicacin de una corriente en la base B, lo cual se obtiene polarizando directamente la unin base-emisor e inversamente la unin base- colector. 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 mayora de los transistores bipolares usados hoy en da son NPN, debido a que la movilidad del electrn es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operacin. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequea corriente ingresando a la base en configuracin emisor-comn es amplificada en la salida del colector. La flecha en el smbolo del transistor NPN est en la terminal del emisor y apunta en la direccin en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo. Transistor PNP Tipo de transistor de unin bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refirindose a las cargas mayoritarias

dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en da son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeo en la mayora de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentacin a travs de una carga elctrica externa. Una pequea corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP est en el terminal del emisor y apunta en la direccin en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo

5. CUAL ES LA IMPORTANCIA DE LOS ELEMENTOS SEMICONDUCTORES EN EL ACTUAL DESARROLLO TECNOLGICO? Apartir de la invencin de los transistores que fue la aplicacin de los semiconductores que ayudo en gran medida a revolucionar el mundo tecnolgico, los cuales presentaron como una gran ventaja poder reducir el tamao de todos los aparatos electrnicos en el mundo. Ahora nuestra sociedad est marcada en gran parte por la tecnologa de los semiconductores, los sistemas de control, los lectores pticos, las pantallas con luces y en general toda la electrnica de los sistemas colectivos de transporte, utilizan semiconductores. Desde las poderosas computadoras hasta las calculadoras de bolsillo, adems de la mayora de los aparatos domsticos, los equipos de medicin de laboratorio, las asombrosas celdas solares, las fotocopiadoras y una larga serie de otras aplicaciones, tienen que ver con los semiconductores. Por lo tanto los semiconductores llevan a la innovacin en el mundo tecnolgico como por ejemplo la Nanotecnologa, nuevas formas de produccin de semiconductores apuntan a crear sistemas electrnicos que proponen una mejora en la calidad de vida del ser humano, promoviendo el ahorro de energa y la proteccin del medio ambiente. Se esperan desarrollos que actualmente estn solo en la imaginacin de las personas.

FASE 2 Simulacin de Circuitos Electrnicos: 1. Polarizacin del Diodo Comn. Construya los siguientes circuitos y realice su simulacin por medio del software Workbench.

Pantallazos Simulacin:

Imagen polarizacin directa del diodo rectificador. Explicacin: En este circuito el diodo esta polarizado directamente que es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta del nodo al ctodo del diodo; en este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportndose prcticamente como un corto circuito, se cumple que la fuente de alimentacin es de un valor de tensin ms alto al necesario para el disparo del diodo es

decir para que este entre en conduccin, el cual para un diodo de silicio esta aprox en 0.7 v

Imagen polarizacin Inversa del diodo rectificador. Explicacin: En este circuito el diodo esta polarizado inversamente que es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto es decir del ctodo al nodo; en este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prcticamente como un circuito abierto. En estas condiciones, la diferencia de potencial en la unin queda incrementada y por tanto tambin la accin de la barrera, que solo permite la circulacin de una corriente insignificante (del orden de las millonsimas de amperio).

2. Aplicacin del Diodo como Rectificador.

A. Rectificador de Media Onda:

Pantallazos Simulacin:

Grafica seal de entrada:

Descripcin: Esta seal es la tensin de entrada 12 Vp y una frecuencia de 60 Hz

Grafica seal de salida:

Descripcin: Esta seal es la seal de tensin de salida es decir la tensin en la resistencia de carga. En este caso es necesario analizar cada ciclo de la seal de entrada, entonces: Polarizacin directa (vi > 0): En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restriccin. Los voltajes de salida y entrada son iguales, por lo tanto la grfica nos muestra a la salida el semiciclo positivo. Polarizacin inversa (vi < 0): En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensin de salida es nula, por lo tanto en ese segundo ciclo de entrada la seal de salida se ve representada como una lnea en el cero.

B. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE GREATZ:

Grafica seales de entrada y salida sobre puestas: Salida (color azul) Entrada (color rojo).

Grafica seal de entrada:

Descripcin: Esta seal es la tensin de entrada 12 Vp y una frecuencia de 60 Hz

Grafica seal de salida:

Descripcin:

Para este caso se emplean cuatro diodos; En este anlisis para cada ciclo de la onda de entrada segn las disposicin de los diodos en cada semiciclo dos diodos entran en conduccin y los otros dos diodos estaran en polarizacin inversa es decir no conducen; es por esto que la grfica de salida se muestra una rectificacin completa es decir obtenemos salida de tensin en los dos semiciclos de la seal de entrada. Esta es la configuracin usualmente empleada para la obtencin de corriente continua teniendo en cuenta que luego se realiza una etapa de filtrado.

3. Aplicacin del Transistor como Amplificador

Pantallazo simulacin:

Grafica seal de Salida (color azul) y seal de Entrada (color rojo).

Seal de Entrada

Seal de salida

Descripcin: En este circuito est siendo usado el transistor como amplificador de tensin, donde particularmente se usa un transistor tipo NPN, Se puede decir que un transistor NPN es bsicamente un circuito hecho con dos diodos conectados en oposicin y con una conexin intermedia llamada base, entonces la amplificacin en este circuito se produce de la siguiente manera: Al amplificar una seal alterna en la entrada, estamos modificando la tensin de base-emisor del circuito, por consiguiente, la Corriente de base (Ib), depende de la conduccin de transistor. Suponiendo que en la entrada aparece el hemiciclo positivo de la seal alterna de entrada. A travs del condensador de acople de 10 uF, se elevar la tensin de base, y por tanto, la de base-emisor. Esto hace que aumente la Corriente de base (Ib) y se reduzca la barrera entre base y colector. El resultado es que el transistor conduzca ms, (aumenta la corriente en el colector (Ic)). La tensin de colector que antes era constante, ha disminuido y el condensador de desacoplo 10 uF transmitiendo a la salida el descenso de Voltaje en emisor (Ve) como el semiciclo negativo, igual que en el de entrada pero amplificado y desfasado 150.

Pasemos ahora al semiciclo negativo en la entrada. A travs de 10 uF la tensin de base disminuir, por tanto, la tensin base emisor (V b-e) , con lo que tambin lo har la Corriente de base (Ib). De esta forma crece la barrera entre base y colector y el transistor conducir menos (baja la corriente de colector (Ic)). As, aumenta la Ve y al haber menos corriente, baja la tensin en RL. El efecto es que la tensin de colector sube u el condensador 10 uF transmite esta variacin a la salida con el desfase de 180 indefinidamente. Es as entonces que a la salida obtenemos una seal desfasada 180 y amplificada con respecto a la seal de entrada. Para nuestro caso la seal de entrada es de 2mVp y la seal de salida aprox de 120 mVp.

CONCLUSIONES