ACTIVIDAD 10 FISICA ELECTRONICA

TRABAJO COLABORATIVO 2

ELABORADO POR: YIMY ALEXANDER PARRA MARULANDA

CODIGO: 7254934

PRESENTADO A: FREDY TELLEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y ADISTANCIA- UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

PUERTO BOYACA

ABRIL 2014

INTRODUCCION

El siguiente trabajo es el desarrollo de la guía de actividad del trabajo colaborativo 2 de física electrónica, en la cual se analizan las características de los materiales aislantes, conductores y semiconductores, además de los semiconductores tipo P y N, se consulta sobre un diodo diferente a los descritos en la guía, en la segunda face de este trabajo se realizan las actividades descritas mediante el simulador.

OBJETIVOS

Comprender el concepto de la teoría básica de los aisladores, conductores y semi-conductores. Analizar y comprender los diferentes tipos de diodos y su empleo en la electrónica. Estudiar y analizar la evolución y el funcionamiento del transistor, la forma en que operan en los diferentes equipos electrónicos utilizados en la actualidad. Utilizar el simulador de circuitos electrónicos para analizar las diferentes variantes que nos permiten realizar en el momento de elaborar un circuito, al usar los diferentes componentes que se deben instalar en los circuitos electrónicos.

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 AISLANTE Aislante es todo aquel material con escasa conductividad. Son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la energía en cualquiera de sus formas a través del material, el aislante es el que posee más de 4 electrones en su última capa de valencia. El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe, y no se ha descubierto aun. Entre los aislantes encontramos 3 tipos, los cuales son sólidos, líquidos y gaseosos. Ejemplo de aislante sólido, son el azufre, diamante, porcelana, cristal, el papel, la goma y la mayoría de los plásticos así como las cintas sintéticas, que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos. Aislantes Líquidos: Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos. El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral, aceite de ricino, Fluidos dieléctricos sintéticos, entre los cuales encontramos, siliconas y polyalfa-olefines. Aislantes Gaseosos: Los gases aislantes más utilizados son, el aire, nitrógeno y hexafluoruro del sulfuro. Utilizados en los transformadores.

MATERIAL CONDUCTOR

Un elemento conductor es el que permite que la energía en cual quiera de sus formas pase a través de él. Esto es debido a que los electrones de sus átomos pueden movilizarse, los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia

Los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad. 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.

Los mejores conductores se dividen en 2 grupos los cuales son de alta conductividad y de alta resistividad, entre los primeros encontramos: plata, cobre y aluminio, y en los segundos: aleaciones cobre y níquel y las aleaciones de cromo y níquel, y también encontramos el no metal como el hidrogeno

MATERIAL SEMICONDUCTOR

Los semiconductores presentan la característica de que las 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. Un semiconductor es el cual no es más que un material ya sea sólido o liquido con una resistividad intermedia entre la de un conductor y la de un aislador.

Un ejemplo de este tipo de material es Germanio, silicio Tipo N: Adicionando arsénico, antimonio y fósforo. Tipo P: Adicionando Indio, boro y galio

MATERIAL AISLANTES MATERIAL CONDUCTORES MATERIALSEMICONDUCTORES

DEFINICIÓN Escasa conductividad eléctrica, posee más de 4 electrones en su última capa de valencia.

Trasmite la electricidad, electrones de valencia relativamente libres.

Un material semiconductor es aquel que tiene una conductividad eléctrica intermedia, entre la de los metales y los aislantes.

COMPORTAMIENTO Se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material.

No influye la barrera de potenciar ya que esta no se interpone en las bandas de valencia por lo tanto no impide que la electricidad se transmita hacia otro material.

Se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. O la finalidad a la que se utilice.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS

Este material no cede electrones de valencia con facilidad.

Valencias positivas, este material tienden a ceder electrones a los átomos con los realiza enlace.

Los materiales semiconductores puros son denominan intrínsecos y cuando se les agregan impurezas se les llaman extrínseco.

FLUJO ELECTRICIDAD Entre más electrones, es mejor como aislante de electricidad, el flujo de electricidad es poco.

Entre menos electrones mejor conductores de electricidad, mayor es el flujo de esta.

Cuando se les agregan impurezas se hacen mejores conductores. Y aumenta su conductividad

ESTABILIDAD DEL ÁTOMO

Estable Inestable Enlace covalente: Comparten electrones para formar cristales estables.

ELECTRONES DE VALENCIA

más de 4 u 8 1 ó 2 4

MATERIALES Caucho, cartón, plásticos, papel, resina, cerámica, vidrio, azufre, diamante y goma

Metales: Cobre, Plata, Oro, aluminio, y el no metal como el hidrogeno.

Germanio, silicio Tipo N: Adicionando arsénico, antimonio y fósforo. Tipo P: Adicionando Indio, boro y galio

FUNSION Evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras y el contacto de las personas a las tenciones eléctricas. Usados en diferentes aplicaciones industriales

Permitir el paso de la energía a través de el para que esta llegue a un sitio determinado. Usados en diferentes aplicaciones industriales

Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termistores, usados en la electrónica y en las telecomunicaciones.

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

Semiconductores intrínsecos o puros: poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos correctamente adecuadamente, pueden actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes. Su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes. Dependiendo de esas impurezas habrá dos tipos:

SEMICONDUCTOR TIPO N:

Este 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 negativo. En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón más en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos, Para fabricarlo el procedimiento es 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 los semiconductores tipo N se les conoce también como donadores, y como este nombre lo indica estos semiconductores pasan carga 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:

En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones. Se produce 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.

Las características de los semiconductores naturales son aisladores de banda prohibida angosta; ellos reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. Los semiconductores tipo P y tipo N son diseñados y fabricados con características eléctricas específicas “a la medida” agregando, de manera controlada, impureza a semiconductores. Este proceso de introducción de impurezas extrañas se denomina dopado. Y son utilizados de varias maneras, como: Termistores, transductores de presión, rectificadores, transistores de unión bipolar, transistores de efecto de campo.

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

Tipos de diodos

Diodo BARITT

Diodo semejante al diodo IMPATT donde los portadores de carga llamados a atravesar la región de deplexión no provienen de una avalancha sino que son engendrados por inyección de portadores minoritarios en uniones polarizadas en el sentido de la conducción.

Diodo de avalancha

Diodo de rectificación en el que, mediante una técnica apropiada, se reparte la ruptura inversa, debida al fenómeno de avalancha, en todo el volumen de la unión. El diodo soporta, así, grandes corrientes en conducción inversa sin destruirse.

Diodo de capacidad variable (VARACTOR o VARICAP)

Diodo semiconductor con polarización inversa cuya capacidad entre los terminales disminuye en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos.

Diodo de conmutación

Diodo semiconductor diseñado para presentar una transición rápida entre el estado de conducción y el estado de bloqueo, y a la inversa.

Diodo rectificador.

Diodo de potencia media o alta que se utiliza para rectificar las corrientes alternas.

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 el tratamiento de una señal eléctrica de baja potencia.

Diodo de unión

Diodo formado por la unión de un material semiconductor de tipo n y otro semiconductor de tipo p.

Diodo Gunn

Dispositivo semiconductor impropiamente calificado de diodo ya que no contiene una unión sino una sucesión de tres capas de tipo n más o menos dopadas. En presencia de campos eléctricos elevados, el diodo Gunn es escenario de oscilaciones a muy alta frecuencia.

Diodo IMPATT

Diodo cuyo funcionamiento asocia la multiplicación por avalancha de los portadores de carga y su tiempo de propagación en la unión. Esto conduce, para ciertas frecuencias muy elevadas, a una resistencia negativa que permite utilizar el diodo en modo amplificador o en modo oscilador.

Diodo Schottky

Diodo formado por un contacto entre un semiconductor y un metal, lo que elimina el almacenamiento de carga y el tiempo de recuperación. Un diodo Schottky puede rectificar corrientes de frecuencia superior a 300 MHz.

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.

Diodo TRAPPAT

Diodo de hiperfrecuencia de semiconductores que, cuando su unión se polariza en avalancha, presenta una resistencia negativa a frecuencias inferiores al dominio de frecuencias correspondiente al tiempo de tránsito del diodo. Esta resistencia

negativa se debe a la generación y desaparición de un plasma de electrones y huecos que resultan de la íntima interacción entre el diodo y una cavidad de hiperfrecuencias de resonancias múltiples.

Diodo túnel

Diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión.La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador).

Diodo unitúnel

Diodo túnel cuyas corrientes de pico y valle son aproximadamente iguales.

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.

4. Cuáles son las principales características y diferencias existentes entre un transistor NPN y uno PNP.

Los dispositivos semiconductores más comunes dependen de las propiedades de la unión entre materiales de tipo p y de tipo n. Esta unión p-n se produce de forma más habitual por difusión en estado sólido de un tipo de impureza de tipo p sobre un material de tipo n. Aunque también se puede obtener un diodo de unión p-n por crecimiento de un monocristal de silicio intrínseco y dopándolo primero con un material de tipo n y después con uno p. Este diodo p-n se puede encontrar de tres maneras distintas, según como se aplique el voltaje:

• En el equilibrio: Antes de la unión, ambos tipos de semiconductores son neutros; en los p los huecos son los portadores mayoritarios y en los n son los electrones. Después de la unión, los portadores de esta se difunden a través de ella. Después de algunas recombinaciones, el proceso se interrumpe, ya que los electrones que van al material tipo p, son repelidos por los iones negativos; y los

huecos son repelidos por los iones positivos del material tipo n. Los iones inmóviles de la unión forman una zona agotada de los portadores mayoritarios, llamada zona de deplexión. De esta forma no hay flujo neto de corriente en condiciones de circuito abierto.

• Polarización inversa: Si se invierte el voltaje aplicado, tanto los huecos como los electrones se separan de la unión. Sin portadores de carga en la zona de agotamiento, la unión se comporta como un aislante y casi no fluye corriente.

• Polarización directa: Si en la unión p-n se aplica un voltaje externo, de forma que la terminal negativa este del lado tipo n, los electrones y los huecos se moverán hacia la unión y se recombinarán finalmente. El movimiento de electrones y de huecos producen una corriente neta. Si se incrementa esta polarización, aumentará la corriente que pase por la unión.

Características Este efecto resulta en una "amplificación de tensión", que es una de las características más importante de los transistores y el motivo por el cual son de uso casi imprescindible en los montajes electrónicos. Esta amplificación de tensión se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga y la tensión aplicada entre las junturas base-emisor. Diferencias La diferencia principal es que los PNP su base es negativa o sea solo puedes aplicarle a su base tensión negativa y lo NPN su base es positiva solo le puede aplicar tensión positiva para que opere. 5. Cuál es la importancia de los elementos semiconductores en el actual des arrollo tecnológico? Los semiconductores ocupan un lugar prominente en el grupo de los materiales eléctricos, esto se debe al alto grado de desarrollo que se ha alcanzado en el conocimiento de sus propiedades básicas así como también en el de sus aplicaciones. Podemos decir que hoy en día los semiconductores son pieza básica en toda la tecnología electrónica, la cual en los últimos años ha mostrado un crecimiento espectacular, abarcando el campo de los procesadores, las comunicaciones, la robótica. Cantidad de aparatos en diferentes usos en las telecomunicaciones, electrodomésticos, equipos de procesos y con aplicaciones en investigación, médicas y científicas llevan dentro un semiconductor.

El tamaño de dichos equipos en años pasados eren grandes con los semiconductores, la situación cambio y se empezaron a reducir estos, para poder usarlos en diferentes aplicaciones, y este proceso sigue en la actualidad. 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.

En el circuito del lado izquierdo, el diodo esta polarizado en directo y por lo tanto este permite la circulación de corriente, esto se puede observar porque sobre la resistencia disminuye la tensión de 11,28V, los restantes 0,72V son la tensión característica del diodo. En el del lado derecho simulación, el diodo esta polarizado en inverso y por eso no se permite la circulación de corriente, lo cual hace que sobre la resistencia de 1 k Ohm no haya tensión.

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

La entrada es una señal sinusoidal, la señal vista sobre la resistencia de 1k Ohm es la media onda positiva. Lo cual pasa porque en la media onda negativa, el diodo se polariza en inverso e impide la circulación de corriente y por tal razón se llama rectificador de media onda. b. Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

Con esta combinación de diodos se consigue una rectificación de onda completa. El puente rectificador es un circuito electrónico usado en la conversión de corriente alterna en 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.

Este es un circuito amplificador de señal. A la entrada se le aplica una pequeña señal y a la salida se obtiene una de mayor amplitud pero invertida. Esta configuración es conocida como amplificador de emisor común y se caracteriza por amplificar la señal de entrada tanto en voltaje como en corriente, además la señal de salida es invertida respecto a la de entrada.

CONCLUSIONES

Al realizar las consultas sobre los diferentes materiales eléctricos, usados como aislante, conductores y semiconductores, comprendemos los usos de cada uno y sus características principales, los grandes avances que se han logrado usando estos.

En el uso del programa de simulación se puede concebir el comportamiento que realizan los diferentes materiales, al recibir la corriente, cuáles son sus funciones en los circuitos.

BIBLIOGRAFIA

ABELLA, J.M, Madrid, España. Fundamentos de electrónica física y microelectrónica. Universidad nacional abierta y a distancia, Colombia. Guía de trabajo colaborativo 2.Escuela de ciencias básicas, tecnología e ingeniería. http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm