fisica electrónica

UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP


1

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2

Prefacio:

a asignatura es de carácter teórico-práctica. Ésta,

tiene tiene como fin desarrollar en el estudiante

habilidades de aplicación de los principios físicos en la electrónica

de manera que pueda resolver situaciones problemáticas básicas.

Comprende cuatro Unidades de Aprendizaje:

Unidad I : Estado sólido

Unidad II : Física de los semiconductores.

Unidad III : Dispositivos semiconductores.

Unidad IV : Dispositivos actuales.

L


3

Estructura de los Contenidos

La competencia que el estudiante debe lograr al final de la

asignatura es:

“Comprende y aplica los fundamentos físicos de los

dispositivos electrónicos de estado sólido en circuitos

electrónicos simples”.

Estado Sólido

Física de

Semiconductores

Dispositivos

Semiconductores

Dispositivos

Actuales

Teoría de las

bandas de energía

Conductores,

semiconductores

y aislantes

Resistores

Semiconductores

intrínsecos

Semiconductores

dopados tipo P y

tipo N

Unión P- N: El

Diodo

El modelo

matemático de un

diodo

Diodos

semiconductores

Circuito

rectificador

Transistores

unipolares

Cristal líquido

Circuitos

integrados

Fibra óptica

Nanotecnología

Transistores

Sólidos cristalinos


4

Índice del Contenido

I. PREFACIO 02

II. DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS 05-152

UNIDAD DE APRENDIZAJE 1: Estado Sólido 05 –37

1. Introducción a. Presentación y contextualización b. Competencia c. Capacidades d. Actitudes e. Ideas básicas y contenido

2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Sólidos cristalinos b. Tema 02: Teoría de las bandas de energía c. Tema 03: Conductores, semiconductores y aislantes d. Tema 04: Resistores

3. Lecturas recomendadas 4. Actividades y ejercicios 5. Autoevaluación 6. Resumen

06 06 06 06 06 06

06 - 20 07 15 21 27 32 33 34 37

UNIDAD DE APRENDIZAJE 2: Física de los Semiconductores 38 – 75


2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Semiconductores intrínsecos b. Tema 02: Semiconductores dopados tipo P y tipo N c. Tema 03: Unión P-N: El diodo d. Tema 04: El modelo matemático de un diodo


39 39 39 39 39 39

39 -68 40 48 56 64 69 70 71 75

UNIDAD DE APRENDIZAJE 3: Dispositivos Semiconductores 76 -110


2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Diodos semiconductores b. Tema 02: Circuito rectificador c. Tema 03: Transistores d. Tema 04: Transistor unipolares


77 77 77 77 77 77

77 - 104 78 86 92 99

105 106 107 110

UNIDAD DE APRENDIZAJE 4: Dispositivos Actuales 111 - 147


2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Cristal líquido b. Tema 02: Circuitos integrados c. Tema 03: Fibra óptica d. Tema 04: Nanotecnología


112 112 112 112 112 112

112 - 140 113

123 129 135 141 142 143 146

III. GLOSARIO 147

IV. FUENTES DE INFORMACIÓN 151

V. SOLUCIONARIO 152



5


6

Introducción

a) Presentación y contextualización La extensión a un nivel microscópico de nuestro entendimiento de las propiedades

de los sólidos es uno de los logros importantes de la física y esto ha dado un gran

impulso a los avances de la tecnología actual. Por esta razón, el estudio de la

física del estado sólido es muy importante para comprender la ciencia de los

materiales.

La mayor parte de la investigación en la teoría de la física de estado sólido se

centra en los cristales sólidos, en gran parte porque los materiales cristalinos

tienen a menudo características eléctricas, magnéticas, ópticas, o mecánicas que

pueden ser explotadas para los propósitos de la ingeniería.

b) Competencia

Utiliza modelos para explicar los principios físicos de la conducción eléctrica

en los sólidos cristalinos.

c) Capacidades

1. Reconoce y modela la estructura de un sólido cristalino.

2. Analiza la conducción eléctrica usando la teoría de bandas de energía.

3. Clasifica los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.

4. Identifica resistores y calcula su resistencia eléctrica usando códigos de

colores

d) Actitudes

Valora los modelos físicos para comprender los diversos fenómenos físicos

relacionados con los sólidos cristalinos.

Realiza los trabajos con entusiasmo y solidaridad.

e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 1 Estado Sólido comprende el desarrollo de los siguientes temas:

Tema 01: Sólidos cristalinos

Tema 02: Teoría de las bandas de energía

Tema 03: Conductores, semiconductores y aislantes

Tema 04: Resistores


7

Cristalinos

Sólidos TEMA 1

Competencia:

Reconoce y modela la estructura de un sólido cristalino.

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8

Desarrollo de los Temas

Tema 01: Sólidos Cristalinos

Tipos de Sólidos

Según la distribución espacial de los átomos, moléculas o iones, los materiales sólidos

pueden ser clasificados en:

Cristalinos: compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de una forma

periódica en tres dimensiones. Las posiciones ocupadas siguen una ordenación que

se repite para grandes distancias atómicas. Figura 1.1.

(a) (b) (c)

Figura 1.1. (a) La sal común o cloruro de sodio un sólido cristalino. (b) Visto al

microscopio con una magnificación de 100 parecen pequeños cubitos. (c)

Modelo del cloruro de sodio, los átomos se organizan en un patrón cúbico.

Amorfos: compuestos por átomos, moléculas o iones que no presentan una

ordenación de largo alcance. Figura 1.2.

(a) (b)

Figura 1.2. (a) El vidrio, formado por dióxido de silicio (SiO2) es un sólido amorfo (b) Modelo del SiO2, los átomos no presentan una ordenación de largo alcance.


9

Sistema cristalino

Un sólido cristalino puede representarse como una red de líneas en tres

dimensiones, llamada retículo espacial. Tal red puede ser descrita a partir de la

repetición en el espacio de una estructura elemental denominada celda unitaria.

Figura 1.3.

Figura 1.3. (a) Retículo espacial (b) Celda unitaria

En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados a, b y c

del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, α, β y γ se distinguen siete

sistemas cristalinos. Y en función de las posibles localizaciones de los átomos en la

celda unitaria se establecen 14 estructuras cristalinas básicas, denominadas redes de

Bravais, tal como se muestra en la Tabla 1.1.

Estrucutra del enlaces de los átomos de silicio, cada átomos se enlaza con otros

cuatro. En la red reticular, la celda unitaria es una celda cúbica con átomos en las

caras.


10

Tabla 1.1. Estructuras cristalinas básicas o redes de Bravais

Sistema cristalino Redes de Bravais

Triclínico

Monoclínico

Ortorrómbico

Tetragonal

Romboédrico

(trigonal)

Hexagonal

Cúbico


11

Estructura electrónica de los sólidos cristalinos

Podemos preguntarnos, a qué obedecen las diferencias de comportamiento

eléctrico entre unos materiales y otros. Como la mayor parte de las propiedades de

los sólidos cristalinos, estas diferencias se deben a los diferentes elementos

químicos que conforman el material y de los enlaces electrónicos que existen entre

los átomos. Así pues, realicemos un repaso de los aspectos más esenciales que

determinan la estructura electrónica de enlace entre los átomos.

Analicemos primero la estructura electrónica de un solo átomo. La mecánica

cuántica nos dice que los electrones de los átomos se mueven alrededor del

núcleo atómico, en determinados orbitales, que sólo pueden tomar ciertos valores

de energía bien definidos. El cálculo de la energía asociada a los orbitales es en

general complejo, y sólo es posible llevarlo a cabo en forma exacta para el átomo

de hidrógeno, formado por un protón y un electrón. En este caso, considerando el

núcleo en reposo, la energía del electrón está dado por:

𝑬 = −𝟏𝟑, 𝟔

𝒏𝟐 …(1)

Donde

E = energía medida en electronvoltios (eV).

n = 1, 2, 3, … = número cuántico principal.

El nivel de energía más bajo (n =1) la energía vale – 13,6 eV. Este nivel se denomina

estado fundamental del átomo de hidrógeno. El signo negativo indica que se trata de

energía de enlace. Esto también significa que la energía necesaria para sacar el

El electronvoltio (eV)

Los electrones ocupan niveles de energía de valores muy pequeños

comparados con los valores de energía al cual estamos acostumbrados

macroscópicamente. Es conveniente definir una unidad de energía pequeña,

está unidad es el electronvoltio (eV). La equivalencia entre electronvoltio (eV)

y joule (J) es:

1eV ≡ 1,6 ×10-19J


12

electrón desde el estado fundamental hasta una distancia fuera de la influencia del

núcleo, es 13,6 eV, conocida como energía de ionización.

El electrón puede ocupar también otros estados de mayor energía (con n > 1),

denominados estados excitados, cuando recibe energía suficiente mediante algún

proceso de excitación (térmica, luminosa, etc.).

Los átomos con mayores números de electrones tienen también una estructura de

niveles energéticos similar a los del hidrógeno, aunque están distribuidos y ordenados

de manera más compleja, ya que el valor de la energía no solo depende del número

cuántico principal n sino también de otros números cuánticos Figura 1.4.

Figura 1.4. Esquema de los niveles de energía que pueden ocupar los electrones en

un átomo. El valor de la energía de estos niveles no solo depende del número

cuántico n y si no de otros número cuánticos. En un átomo los electrones se

distribuyen en orbitales de menor a mayor energía.

Principio de exclusión de Pauli « En un nivel de energía pueden haber como máximo dos electrones »


13

La energía de Fermi

En un átomo con muchos electrones, a la temperatura T = 0K, los electrones

ocuparán los niveles de energía compatibles con el principio de exclusión de Pauli.

Así, si tenemos una concentración de N electrones por centímetro cúbico, los

niveles de energía se irán ocupando de dos en dos y los N electrones llenaría N/2

niveles de energía. La energía del último nivel lleno o semilleno, a T = 0 K se llama

energía de Fermi, EF, Figura 1.5.

Figura 1.5. Esquema de niveles de energía. La energía de Fermi

(EF) corresponde a la energía del último nivel de energía ocupado

por uno o dos electrones.

La energía de Fermi depende de la concentración de electrones, es decir del

número de electrones por unidad de volumen, y está dado por la ecuación:

𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒𝒆𝑽

𝒄𝒎𝟑) (𝑵)𝟐/𝟑

…(2)

Donde

EF= energía de Fermi (en eV)

N = concentración de electrones por unidad de volumen (1/cm3)

Niveles de energía

EF


14

En la Tabla 1.2, se muestra la energía de Fermi para algunos elementos.

Tabla 1.2. Concentración de los electrones libres y energías de Fermi para diversos elementos

Elemento (N)

(electrones/cm3)

Energía de Fermi

(eV)

Al Aluminio 18,1×1022 11,7

Ag Plata 5,86×1022 5,50

Au Oro 5,90×1022 5.53

Cu Cobre 8,47×1022 7.04

Fe Hierro 17,0×1022 11,2

Na Sodio 2,65×1022 3,24

Referencia: Física para la ciencia y la tecnología. Volumen 2. Paul a Tipler.2003.

EJE

MP

LO

1

Determinar la energía de Fermi del aluminio a T = 0K.

1. La energía de fermi viene dada por la ecuación:

𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒𝒆𝑽

𝒄𝒎𝟑) (𝑵)𝟐/𝟑

2. Reemplazamos la concentración de electrones, dada en la tabla 2.

𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒 𝒆𝑽

𝒄𝒎𝟑) (18,1 × 1022)𝟐/𝟑 = 𝟏𝟏, 𝟔𝟕𝒆𝑽

Hazlo tú

Verifica que la energía de Fermi para el sodio es 3,24 eV



15

TEMA 2

Teoría de las

Bandas de Energía Competencia:

Analiza la conducción eléctrica usando la teoría de bandas de energía.


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16

Tema 02: Teoría de las Bandas de Energía Las Bandas de Energía

Cuando se trata de moléculas formadas por dos o más átomos, los electrones

ubicados en niveles de energía mayores (electrones de las capas más externas)

participan en el enlace entre los átomos, mientras que el resto de los electrones

siguen muy ligados a sus núcleos respectivos.

La interacción entre los átomos da lugar a desdoblamientos de los niveles de energía

originales de los electrones. Así por ejemplo, si dos átomos se enlazan cada nivel de

energía se desdobla en dos niveles de energía ligeramente diferentes. Si tres átomos

se enlazan cada nivel de energía se divide en tres niveles de energía

ligeramente distintos. Si tenemos N átomos idénticos se enlazan, un

nivel particular de energía de un átomo se divide en N niveles

energéticos distintos, pero muy próximos, Figura 2.1. En un sólido

macroscópico, N es un número muy grande – del orden 1023 – de

modo que cada nivel energético se divide en un número muy grande

de niveles, que forman una banda de energía

Figura 2.1. División energética de dos niveles de energía para seis átomos enlazados,

en función de la separación de los átomos.

Nivel 1

Nivel 2

Bandas de energía permitidas

En

erg

ía

Separación entre átomos


17

Para comprender la conducción eléctrica de los materiales, estas bandas de

energía se dividen en tres bandas, Figura 2.2, que son:

La banda de valencia: está ocupada por los electrones de

valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran

en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de

valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no

intervienen en la conducción eléctrica.

La banda de conducción: está ocupada por los electrones libres, es decir,

aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos

electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.

En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica

debe tener electrones en la banda de conducción. Cuando la banda de conducción

esté vacía, el material se comportará como un aislante.

Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda

prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los

electrones.

Figura 2.2. Esquema de las bandas de energía de un sólido cristalino. El nivel de

mayor energía en la banda de valencia es EV= -1,14 eV. El nivel de menor energía en

la banda de conducción es EC = -0,04eV. El ancho de la banda prohibida es Eg = EC –

EV = 1,10eV.

EV=-1,14eV

EC

-1,15eV

-1,22eV

-1,28eV

EC= -0,04eV

-0,03eV

-0,02eV

-0,01eV

Energía

Eg =1,10eV

Banda de conducción

Banda de prohibida


18

La función de probabilidad de Fermi-Dirac

El movimiento de los electrones dentro de la banda de conducción y de valencia

se realiza con un intercambio de energía entre ellos. Como resultado de este

intercambio de energía, el conjunto de electrones en cada una de las bandas de

energía se distribuye entre los distintos niveles de energía. Sin embargo esta

distribución no es uniforme, hay determinadas zonas o intervalos de energía

donde la concentración de electrones puede ser mayor o menor.

La probabilidad de que los niveles de energía de una banda estén

ocupados por un electrón está regida por la estadística de Fermi-

Dirac. Esta estadística se aplica, considerando el principio de exclusión

de Pauli, el cual afirma que en un nivel de energía no puede

haber más de dos electrones.

La probabilidad de encontrar un nivel de energía E ocupado

por electrones está dado por la función F(E):

𝑭(𝑬) =𝟏

𝟏 + 𝒆(𝑬−𝑬𝑭) 𝒌𝑻⁄

…(3)

Donde

EF = Constante denominada energía de Fermi (en electronvoltio, eV).

k = 8,62×10-5eV/K = constante de Boltzmann.

T= Temperatura (en kelvin, K).

La función de probabilidad F(E) está comprendido entre cero

(estado vacante o hueco) y la unidad (estado ocupado). A la

temperatura T = 0K, para niveles de energía E < EF, F(E) = 1y

para niveles de energía E > EF, F(E) = 0. Esto significa que a la

temperatura T = 0K, para niveles de energía inferiores a la energía

de Fermi, la probabilidad de encontrar niveles ocupados es del

100% y para niveles energías superiores a la energía de Fermi, la

probabilidad es de 0%, ver Figura 2.3.


19

Figura 2.3. Cuando la temperatura T = 0K, la probabilidad de encontrar niveles de

energías ocupados debajo de la energía de Fermi (EF) es del 100% y para niveles de

energía superiores a la energía de fermi, la probabilidad es nula, 0%.

Para temperaturas mayores que cero, T > 0K, la probabilidad de encontrar niveles de

energía ocupados, inferiores a la energía de Fermi es mayor al 50% y la probabilidad

de encontrar niveles de energía ocupados, superiores a la energía de Fermi es

menor al 50%, ver Figura 2.4.

Figura 2.4. Para temperaturas mayores que el cero absoluto, T > 0 K, la probabilidad

de encontrar niveles de energías ocupados inferiores a la energía de Fermi es más

del 50%.


20

EJE

MP

LO

2

Determinar la probabilidad de que un nivel de energía en el cobre E = 7,14

eV, este ocupado a T = 300K.

1. Calculamos el exponente, considerando que EF= 7,04 (ver tabla 1.2):

𝑬 − 𝑬𝑭

𝒌𝑻=

(−𝟕, 𝟏𝟒𝒆𝑽) − (−𝟕, 𝟎𝟒)

(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟑, 𝟒𝟖

2. Utilizamos este resultado para calcular la probabilidad de Fermi:

𝑭 =𝟏

𝟏 + 𝒆𝑬−𝑬𝑭

𝒌𝑻

=𝟏

𝟏 + 𝒆𝟑,𝟒𝟖= 𝟎, 𝟎𝟐𝟗𝟗 = 𝟐𝟗, 𝟗%

Hazlo tú

Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima

energía de la banda de valencia EV = - 0,64 eV, es del 97%.

Conducción en Metales

A la temperatura T = 0K, según la estadística de Fermi, todos los niveles de

energía por debajo de la energía de Fermi están llenos de electrones, mientras

que los niveles de energía superiores a la energía de Fermi están vacíos, Figura

2.3. Por ejemplo, en el caso del cobre a la temperatura de 0K, la energía de Fermi

EF = 7,04 eV y la energía de la banda de prohibida es Eg = 0, por lo tanto todos los

niveles de energía menores a 7,04 eV están llenos.

A temperaturas superiores a 0K, algunos electrones adquieren energía

térmica y pasa a niveles superiores a la energía de Fermi, pero estos

no son los suficientes para producir una corriente eléctrica. Pero si

se aplica voltaje al metal, los electrones que se encuentran en los

niveles próximos a la energía de Fermi, pueden pasar a

niveles superiores de energía, donde los electrones son

libres de moverse.



21

TEMA 3

Conductores, Semiconductores

Aislantes

Competencia:

Clasifica los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.

y



22

Tema 03: Conductores, Semiconductores y

Aislantes

La estructura de bandas de un material permite explicar su capacidad

para conducir o no la corriente eléctrica. Según esto podemos distinguir

a los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.

Conductores

En los materiales conductores, las bandas de valencia y conducción se

encuentran muy próximas y en muchos casos se solapan. La banda de

conducción está ocupada por electrones libres, desligados de sus átomos, que

pueden moverse fácilmente y pasar de unos átomos a otros. Este tipo de

estructura de bandas corresponde a materiales que pueden conducir la corriente

eléctrica Figura 3.1.

Figura 3.1. Los metales son buenos conductores, la banda de conducción y la

banda de valencia se encuentran muy próximas y en muchos casos se solapan. La

banda de conducción tiene muchos electrones libres capaces de moverse al

conectar el metal a pequeños voltajes.

Energía


Banda de valencia


23

Figura 3.2. En 1mg de litio hay aproximadamente 1020 átomos y los niveles de

energía disponibles son tanto que parecen una banda continua.

Semiconductores

Los materiales semiconductores, las bandas de valencia y conducción están

próximas, separadas por una banda prohibida muy estrecha, Tabla 3.1. Esta

situación permite que, si se comunica una pequeña cantidad de energía al

material, algunos electrones de la banda de valencia puedan «saltar» a la banda

de conducción. Al tener ocupada la banda de conducción, el material se

comportará como conductor.

Figura 3.3. Esquema de banda de energía un

material semiconductor.

Energía


Banda de valencia

Banda prohibida

EV

EV

EC

Eg

http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://www.techmez.com/wp-content/uploads/Ciencia/metanoco2electricidad.jpg&imgrefurl=http://www.techmez.com/2009/03/31/fabrican-biocombustibles-con-bacterias-y-electricidad/&usg=__esfs3lyYoCCWn3ip8d4de9gnpuY=&h=369&w=570&sz=71&hl=es&start=1&sig2=IRl-ihfSvY61pRpV6ZHQhw&zoom=1&tbnid=fufgaAcdf8fnVM:&tbnh=87&tbnw=134&ei=3jInTvatK8fb0QH3qZC0Cg&prev=/search?q=electricidad&hl=es&rlz=1W1ADFA_es&biw=1024&bih=586&tbm=isch&chk=sbg&itbs=1


24

(a)

(b)

Figura 10. (a) Aspecto del silicio metalúrgico (b) Barras de silicio semiconductor

de 99,99% de pureza

Aislantes

En los materiales aislantes la banda de conducción se encuentra vacía, pues no hay

electrones libres, de modo que no pueden conducir la corriente eléctrica. La banda que

está ocupada en este caso es la banda de valencia, pero estos electrones no pueden

moverse libremente. En un aislante la banda prohibida es muy grande y esto significa

que un electrón en la banda de valencia necesita mucha energía para pasar a la

banda de conducción y convertirse en un electrón libre, necesario para la conducción.

Tabla 3.1. Valores del ancho de la banda prohibidos para algunos semiconductores

Sólido

cristalino

Eg ( eV)

0K 300K

Si 1,17 1,14

Ge 0,74 0,67

InP 1,42 1,35

GaAs 1,52 1,43

Referencia: Introduction to Solid State Physics, 6ª Ed., John Wiley

and sons, Inc., 1986


25

La distribución de Fermi –Dirac predice que la probabilidad de encontrar electrones en

la banda de conducción es aproximadamente nula, y a temperaturas mayores a 0K

muy pocos electrones se excitarán hacia la banda de conducción, Figura 3.4.

El diamante presenta un ancho de banda, Eg = 6 eV, el cual significa que los electrones

de valencia requieren de mucha energía para pasar a la banda de conducción, por lo

tanto el diamante es un aislante.

Figura 3.5. Diamantes artificiales

usados en muchas herramientas

adiamantadas. El

diamante es un

material aislante,

cuya banda

prohibida es de

aproximadamente 6

eV.

Figura 3.4. Esquema de banda de energía un material aislante. El ancho de la

energía de la banda prohibida es muy grande del orden de ~10 eV.

Energía


Banda de valencia

Banda prohibida

Eg ~ 10 eV


26

Aunque un aislante posee muchos niveles de energías vacantes en la banda de

conducción que pueden aceptar electrones, hay tan pocos electrones que

realmente que la contribución a la conductividad eléctrica es muy pequeña, lo que

resulta una elevada resistividad para los aislantes.

Los sólidos cristalinos pueden clasificarse en conductores, semiconductores y

aislantes de acuerdo a su resistividad eléctrica (ρ), que se mide en ohmio- metro

(Ω m). Los metales que son buenos conductores tienen resistividades muy

pequeñas menores a 10-5Ω m, los semiconductores tienen resistividades

comprendidas entre 10-6Ω m y 103Ω m y los aislantes tienen resistividades muy

altas, superiores a 103Ω m, Figura 3.5.

Figura 3.5. Conductores, semiconductores y aislantes.

Figura 3.6. Los cables

conductores en muchos

circuitos están protegidos

por aislantes que soportan

altas temperaturas.

27

TEMA 4

Resistores

Competencia:

Identifica resistores y calcula su resistencia eléctrica usando códigos de colores.


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28

Tema 04: Resistores

Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una

resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. Los resistores

usados en circuitos electrónicos están hechos en su mayoría de carbón pulverizado y

un aglomerante. La intensidad de corriente máxima en un resistor viene condicionada

por la máxima potencia que puede disipar. Esta potencia se puede identificar

visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores

más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

Los resistores de potencia pequeña, menores de 2 W, llevan

grabadas unas bandas de color que permiten identificar el valor

de la resistencia que éstas poseen y para los resistores de

potencia mayor generalmente llevan su valor impreso con

números sobre su cuerpo.

Figura 4.1. Diferentes resistores usados en electrónica. Las bandas de color indican su

valor y tolerancia.

La resistencia se mide en ohmio (Ω). Para valores muy grandes

se suele utilizar múltiplos como: el kilo-Ohmio (1kΩ=103 Ω) y el

Mega-Ohmio (1M Ω =106 Ω).


29

Como leer el valor de la resistencia eléctrica de un resistor con bandas de colores

En los resistores con 4 bandas de colores

La primera banda representa el dígito de las

decenas.

La segunda banda representa el dígito de

las unidades.

La tercera banda representa a un

multiplicador

La cuarta banda representa la tolerancia o el

rango.

EJE

MP

LO

3

En la figura se muestra un resistor de

carbono con 4 bandas de colores. Vamos a

determinar el valor de la resistencia

decodificando los valores de cada banda de

color.

Anotamos los valores de cada banda de color, dadas en la Tabla 4.1:

Banda 1 = Marrón = 1

Banda 2 = Negro = 0

Banda 3 = Amarillo = x 10 000

Banda 4 = Dorado = Tolerancia =10%

Expresamos el valor de la resistencia:

R = 10 x 10 000 ± 10% =100 kΩ ± 10%

R = (100 ± 10) kΩ

El valor de la resistencia está comprendido entre 90 kΩ y 110 kΩ.


30

Para resistores de precisión de 5 bandas de colores el procedimiento es similar, ver el ejemplo 4.

EJE

MP

LO

4

En la figura se muestra un resistor de carbono con 5 bandas de colores.

Vamos a determinar el valor de la resistencia usando el código de

colores, mostrados en la Tabla 4.1.

Anotamos los valores de cada banda de color, dadas en la Tabla 3:

Banda 1 = Marrón = 1

Banda 2 = Negro = 0

Banda 3 = Negro = 0

Banda 4 = Amarillo = x 10 000

Banda 5 = Rojo = Tolerancia =2%

Expresamos el valor de la resistencia:

R = 100 x 10 000 ± 2% =1000 kΩ ± 2%

R = (1000 ± 20) kΩ

El valor de la resistencia está comprendido entre 980 kΩ y 1020 kΩ.

Hazlo tú

En la figura se muestra una parte de un

circuito impreso. Usando el código de colores

de la tabla 4.

a) Deducir las bandas de color que deberá

tener R2 = 330 Ω, con una tolerancia de

5%.

b) Verificar que la resistencia R3 = 100Ω.


31

Tabla 4.1. Código de colores en las resistencias

COLORES Banda 1 Banda 2 Multiplicador Tolerancia

Plateado ------ ------ x 0,01 10 %

Dorado ------ ------- x 0,1 5 %

Negro 0 0 x 1 -------

Marrón 1 1 x 10 1 %

Rojo 2 2 x 100 2 %

Naranja 3 3 x 1 000 ------

Amarillo 4 4 x 10 000 -------

Verde 5 5 x 100 000 0,5%

Azul 6 6 x 1 000 000 -------

Violeta 7 7 x 10 000 000 --------

Gris 8 8 x 100000000 --------

Blanco 9 9 x 1 000 000 000 -------

Ninguno ---- ----- ------- 20 %

Los Potenciómetros o Resistores Variables

Los potenciometros son

resistores de resistencia

variable, se utilizan para

graduar la resistencia y

modificar la intensidad de

corriente. La perilla del

volumen en las radios es un

potenciómetro.

Potenciómetro:

R = 100Ω, P = 2W y 20%

de tolerancia.

Potenciómetro = 500kΩ,

P = 0,25 W y ± 20% de

tolerancia.


32

Lecturas Recomendadas

VÍDEO: “SÓLIDOS CRISTALINOS” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=zGiHAh-7VHc

VÍDEO: “RESISTORES” EN: http://www.youtube.com/watch?v=Xe0PSiBHEZc

http://www.youtube.com/watch?v=As-Z2uszUp8

LECTURA: “ESTRUCTURAS CRISTALINA” http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1a.pdf

http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1b.pdf

http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1c.pdf

1. Ingresa al siguiente link: “SÓLIDOS CRISTALINOS” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:

Investiga en el Internet sobre los siguientes elementos,

describe su estructura cristalina, propiedades y

aplicaciones:

a) Silicio

b) Germanio

c) Galio

Elabora una presentación tipo infografía (información solo con imágenes de la web,

con su debida leyenda) usando Power Point, publica tu presentación en:

www.slideshare.net

Envía la dirección de tu publicación a tu profesor.

Importante: En tus presentaciones, haz referencia a la fuente de información de dónde

has obtenido las imágenes. Esto demostrará que has realizado una buena investigación.

Actividades y Ejercicios

http://www.youtube.com/watch?v=zGiHAh-7VHc

http://www.youtube.com/watch?v=Xe0PSiBHEZc

http://www.youtube.com/watch?v=As-Z2uszUp8

http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1a.pdf

http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1b.pdf

http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1c.pdf

http://www.slideshare.net/


33

2. Ingresa al siguiente link: “TEORÍA DE BANDAS” lee atentamente las indicaciones,

desarróllalo y envíalo por el mismo medio:

En los siguientes links, descarga la información y observa los ejemplos de cómo los

electrones se distribuyen en niveles de energía.

http://www.genealog.cl/cursos/id42a/02-2TeoriaBandas.PDF

http://www2.uca.es/grup-

invest/instrument_electro/Ramiro/docencia_archivos/Bandas.PDF

Busca información sobre el silicio, el boro y el fósforo, luego realiza un esquema o

dibujo (puedes usar Patín) e indica cómo se distribuyen sus electrones cuando estos

átomos están solos. Envía tu dibujo a tu profesor en formato jpg, jpeg o png.

3. Ingresa al siguiente link: “RESISTORES” lee atentamente las indicaciones,


Visita el siguiente link, y observa las bandas de colores para diferentes valores de

resistencias.

http://www.pablin.com.ar/electron/trucos/resistor/resistor.htm

Luego, completa la siguiente tabla:

Código de colores Valor de resistencia

1. Negro, Marrón, Rojo, Plateado

2. Rojo, Azul, Negro, Dorado

3. Verde, Amarillo, Rojo, Plateado

http://www.genealog.cl/cursos/id42a/02-2TeoriaBandas.PDF

http://www.pablin.com.ar/electron/trucos/resistor/resistor.htm


34

Autoevaluación

1) El número de estructuras cristalinas básicas o redes de Bravais de los sólidos

cristalinos son:

a. Uno

b. Tres

c. Cinco

d. Siete

e. Trece

2) En el átomo del hidrógeno, la energía (en eV) que corresponde al número cuántico

n = 3 es:

a. - 13,6

b. - 3,40

c. - 4,53

d. - 1,51

e. - 0,51

3) La energía de Fermi que corresponde al estaño (Sn), cuyo concentración de

electrones 14,8×1022 cm-3, entonces la energía de Fermi (en eV) que le corresponde

aproximadamente es:

a. 10,2

b. 12,3

c. 13,4

d. 23,5

e. 25,5

4) En un sólido los electrones están ubicados en niveles de energías que forman bandas de energías continuas que ordenadas de menor a mayor son:

a. Banda de valencia, banda de conducción, banda prohibida

b. Banda de conducción, banda prohibida, banda de valencia

c. Banda de valencia, banda prohibida, banda de conducción

d. Banda prohibida, banda de valencia, banda de conducción

e. Banda prohibida, banda de conducción, banda de valencia.


35

5) Use la siguiente ecuación:

𝑭(𝑬) =𝟏


Para calcular la probabilidad de que un nivel de energía en el aluminio E = 11,5 eV,

esté ocupado a T = 300K. La energía de Fermi del aluminio es 11,6 eV.

𝒌 = 𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲

a. 98%

b. 92%

c. 90%

d. 20%

e. 2%

6) Indique verdadero (V) o falso (F) sobre las siguientes afirmaciones:

I. En los conductores el ancho de la energía de la banda prohibida es nula.

II. Si la energía de la banda , de menor energía, en la banda de conducción, es -

0,1eV y la energía de la banda, de mayor energía, en la banda de valencia, es -

1,2 eV, entonces el ancho de la banda prohibida es 1,3eV

III. En los aislantes, los niveles de energía de la banda de conducción y la banda de

valencia se solapan.

a. VVV

b. FFF

c. FVF

d. VFV

e. VFF

7) De los siguientes elementos, Zinc, Galio, Silicio, Germanio, Carbono, Titanio,

Cadmio, el número de materiales semiconductores son:

a. 1

b. 2

c. 3

d. 4

e. 5


36

8) De los siguientes valores del ancho de banda prohibida (Eg), el que mejor

corresponde a los materiales aislantes es:

a. 12,2eV

b. 1,42 eV

c. 1,17 eV

d. 0,74eV

e. 0,13 eV

9) Si en un resistor se observa las siguientes bandas de colores, rojo, negro, rojo y

dorado, teniendo en cuenta los códigos de colores, el valor de la resistencia es:

a. (1000 ± 50) Ω

b. (2000 ± 100) Ω

c. (20000 ± 100) Ω

d. (2000 ± 10) Ω

e. (200 ± 1) Ω

10) Se desea comprar una resistencia 520 Ω con una tolerancia 0,5%, las bandas de

colores que debe tener son:

a. Verde, Rojo, Marrón, Dorado

b. Rojo, Rojo, Marrón, Plateado

c. Verde, Rojo, Marrón, Rojo

d. Verde, Rojo, Marrón, Verde

e. Rojo, Verde, Marrón, Verde


37

Resumen

UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE II::

Un sólido cristalino es aquél que tiene una estructura periódica y ordenada, como consecuencia tienen una forma que no cambia, salvo por la acción de fuerzas externas. Cuando se aumenta la temperatura, los sólidos se funden y cambian al estado líquido. Las moléculas ya no permanecen en posiciones fijas, aunque las interacciones entre ellas siguen siendo suficientemente grandes para que el líquido pueda cambiar de forma sin cambiar apreciablemente de volumen, adaptándose al recipiente que lo contiene. El Sólido cristalino está compuesto por átomos, moléculas o iones organizados de una

forma periódica en tres dimensiones.

La Estructura básica esta formada de átomos organizados que se repite en el espacio.

Existen 14 estructuras básicas conocidas como redes de Bravais.

Energía del electrón en el átomo de hidrógeno (E):

𝐸 = −13,6

𝑛2; 𝑛 = 1,2,3, …

Energía de Fermi (EF).- Energía del último nivel lleno o semilleno, a T = 0K. Depende de la concentración de electrones (N).

𝐸𝐹 = (0,365 × 10−14𝑒𝑉

𝑐𝑚3) (𝑁)2/3

Las bandas de energía tienen un conjunto de niveles de energía muy juntos que se forma por los enlaces de varios átomos. En un sólido cristalino se distinguen tres bandas: banda de valencia, banda de conducción y banda prohibida. La función de probabilidad de Fermi-Dirac.-Función que indica la probabilidad de encontrar un electrón en algún nivel de las bandas de conducción o de valencia, en función de la temperatura.

𝑭(𝑬) =𝟏


Los conductores son sólidos donde la banda de conducción se solapa con la de valencia.

No hay banda prohibida, los electrones pasan fácilmente de la banda de valencia a la banda

de conducción. A diferencia, los semiconductores son sólidos donde la banda de

conducción está cerca de la banda valencia. La banda prohibida tiene un ancho pequeño,

los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción y volverse

un buen conductor. Los aislantes son sólidos donde el ancho de la banda prohibida es

grade, ~10eV, no hay electrones en la banda de conducción y por eso son malos

conductores.

Los resistores son un componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule, la finalidad es modificar la intensidad de corriente en un circuito. Los resistores con bandas de colores, indican el valor de su resistencia a través de un código de colores.

http://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule


39

Introducción

a) Presentación y contextualización Los semiconductores tienen aplicaciones importantísimas, por el hecho que su

conductividad puede ser cambiada drásticamente por la adición de cantidades muy

pequeñas de impurezas en los materiales semiconductores como el silicio. Los

diodos, transistores y otros dispositivos basados en semiconductores han

revolucionado totalmente la industria electrónica. Gracias a los semiconductores

fue posible reducir enormemente el tamaño de los dispositivos electrónicos.

b) Competencia Utiliza la teoría de las bandas de energía para comprender los procesos de

conducción en materiales semiconductores.

c) Capacidades 1. Identifica y analiza los procesos de conducción en semiconductores

intrínsecos.

2. Analiza y describe los procesos de conducción en semiconductores dopados.

3. Analiza y clasifica los procesos de conducción a través de una unión P-N.

4. Analiza la intensidad de corriente de un diodo en función del voltaje aplicado.

d) Actitudes

Valora a los materiales semiconductores como la base de los circuitos

electrónicos en la actualidad.

Actitud emprendedora y crítica para el desarrollo de los trabajos.

e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 2: Física de los Semiconductores comprende el

desarrollo de los siguientes temas:

Tema 01: Semiconductores intrínsecos

Tema 02: Semiconductores dopados tipo P y tipo N

Tema 03: Unión P-N: el diodo

Tema 04: El Modelo matemático de un diodo

40

TEMA 1

Competencia:

Identifica y Analiza los procesos de conducción en semiconductores intrínsecos

Semiconductores

Intrínsecos



41


Tema 01: Semiconductores Intrínsecos

Semiconductores intrínsecos Los principales materiales que presentan propiedades semiconductoras

son elementos simples, como el silicio (Si) y el germanio (Ge).

Estos elementos son tetravalentes, es decir, tienen cuatro electrones de valencia, y

forman enlaces covalentes en los que comparten estos electrones con los átomos

vecinos. La banda prohibida que separa la banda de valencia y la de conducción en

estos elementos es muy pequeña, por lo que si se aporta una pequeña cantidad de

energía (con calor, luz o aplicando un voltaje) los electrones de la banda de valencia

pasan a la banda de conducción y el material podrá conducir la corriente eléctrica.

Este tipo de conducción se denomina conducción intrínseca y es necesario aportar

energía al semiconductor para que se produzca.

Figura 1.1. En silicio (Si) cada

átomo está unido a otros cuatro

átomos compartiendo sus

electrones de valencia. Al

aplicarle energía externa, ya sea

de calor o de luz, es posible

liberar electrones hacia la banda

de conducción, los cuales pueden

producir una corriente eléctrica.

Aunque los primeros componentes electrónicos se fabricaron con germanio, en la

actualidad el semiconductor más utilizado es el silicio, debido a sus mejores

características y a su capacidad para soportar mejor altas temperaturas. En los

últimos años, el desarrollo de la electrónica ha llevado a la obtención de

materiales compuestos con propiedades semiconductoras, como el

arseniuro de galio (GaAs) o el fosfuro de indio (InP). No obstante, su uso

es limitado, y el silicio es el semiconductor más importante.


42

Portadores de carga: los huecos Como hemos visto, la excitación de un electrón a la banda de conducción implica

la ruptura de un enlace en algún punto del sólido cristalino, donde a su vez se

origina un estado vacante que representa la ausencia de un electrón, lo cual

equivale a una carga positiva de magnitud igual a la del electrón. Este estado

vacante puede considerarse como un hueco positivo, el cual posee movilidad

en el interior del sólido. De manera gráfica, la movilidad de los huecos se explica

si se tiene en cuenta que los electrones que se encuentran en enlaces próximos

saltan a este hueco, dejando a tras un nuevo hueco. Este proceso da lugar a un

desplazamiento del hueco en sentido opuesto al electrón que efectúa el salto.

Esta característica de los estados vacantes, denominados también huecos, permite

considerarlos como partículas inmersas en un mar de electrones de enlace dentro

de la banda de valencia. A la temperatura ambiente, solamente un electrón de cada

1012 de la banda de valencia, en el caso del silicio, rompe su enlace de excitación

térmica para pasar a la banda de conducción, dejando el correspondiente estado

vacante.

A partir de estos hechos se desprende la importancia del hueco como entidad, con un

comportamiento similar al de los electrones que se mueven en la banda de

conducción. Tal es así que, desde el punto de vista cuantitativo, el hueco puede

considerarse como una partícula que posee carga igual a la del electrón pero de signo

positivo. Debido a ello, los huecos pueden moverse por la acción de un campo

eléctrico externo. Incluso es posible asociar a los huecos una masa, denominada

masa efectiva. Estas características hacen que tanto los huecos como los electrones

de un semiconductor intrínseco sean denominados indistintamente portadores de

carga o portadores intrínsecos.

Figura 1.2. El estado

vacante de un electrón

puede considerarse como

un hueco positivo, el cual

tiene movilidad, contrario al

movimiento de los

electrones.

Electrón

Hueco

El hueco se mueve

Banda de valerncia


43

EP =-1,14eV

-1,15eV

-1,22eV

-1,28eV

EC= -0,04eV

-0,03eV

-0,02eV

-0,01eV

Energía

Eg =1,10eV

E =1,10eV


Banda de valencia E =1,19eV

Electrón

Hueco

Esquema de bandas de energía de un semiconductor

En el esquema de bandas de energía, la escala vertical representa la energía total, E,

de los niveles electrónicos en la banda de valencia o de conducción. En este

esquema, el valor Eg corresponde a la energía de la banda prohibida Figura3.

A modo de ilustración, en la Figura 1.3 se muestra un esquema de bandas de energía,

de un material semiconductor, donde la banda de energía prohibida tiene un valor Eg =

1,10 eV. Si un electrón de la banda de valencia, se excita, y por ejemplo absorbe1,10

eV, este saltará al primer nivel de la banda de conducción y dejara un hueco positivo,

y si absorbe 1,11eV, el excedente de energía se convertirá en energía cinética, en

este caso Ecinetica = 1,11eV – 1,10eV = 0,01eV. También puede ocurrir que el electrón

absorba, por ejemplo, 1,19 eV y los electrones de valencia del nivel E= -1,22eV, saltan

al nivel E = -0,03 eV de la banda de conducción.

Figura 1.3. Esquema de las bandas de energía de un semiconductor excitado, los

electrones de lavanda de valencia absorben energía y saltan a la banda de

conducción.

Pregunta

Utilizando el esquema de la Figura 1.3,

¿Cuánta energía requiere el electrón de valencia ubicado en el nivel de energía E = -1,15eV, para que pueda pasar al nivel E = -0,02 eV de la banda de conducción? Rpta. 1,13 eV.


44

Conducción de un Semiconductor

Los portadores de carga, tanto los electrones en la banda de conducción como los

huecos en la banda de valencia pueden participar en los procesos de conducción.

Lo único que hace falta es un campo eléctrico capaz de ejercer fuerza sobre

portadores de cargas y ponerlas en movimiento. Este campo eléctrico puede ser

generado por la diferencia de potencial de una batería.

Consideremos un material semiconductor en forma de barra al cual aplicamos una

diferencia de potencial (∆𝑉)por lo tanto un campo eléctrico( ). Esta diferencia de

potencial produce una caída en los niveles de energía de las bandas de valencia y

de conducción igual a (𝑞∆𝑉). En un esquema de bandas de energía, esto implica

que las líneas que representan los niveles de energía deben dibujarse inclinadas,

según se indica en la Figura 4. Además, si el semiconductor es homogéneo, la

magnitud del campo eléctrico, en su interior asociado a la diferencia de potencial,

está dado por 𝐸 = 𝛥𝑉/𝑙 . Esto quiere decir que la pendiente de las bandas de

energía, coincide con la magnitud del campo eléctrico.

Debido a la acción del campo eléctrico, los electrones en la banda de conducción

se desplazan en dirección opuesta al campo eléctrico. Y si en la banda de valencia

hay huecos, los electrones se desplazan saltando por estos huecos, lo que se

traduce a un desplazamiento del hueco en la misma dirección del campo eléctrico.

Figura 1.4. Esquema de bandas de energía de un semiconductor sometido a un

campo electrico.

qΔV

Movimiento de

huecos

Movimiento de

electrones

Electrón

Hueco

Campo eléctrico


Banda de valencia


45

En un semiconductor que se encuentra en equilibrio térmico a una temperatura dada,

existe un proceso continuo de excitación de electrones desde la banda de valencia a la

de conducción. En este proceso se rompe un enlace y se crea un hueco en la banda

de valencia, a su vez los electrones de la banda de conducción se desexcitan y pasan

a ocupar el nivel vacante de la banda de valencia, con lo que desaparece el hueco. De

todo esto se desprende que en un semiconductor intrínseco, en equilibrio térmico, la

concentración de electrones presentes en la banda de conducción Ne debe ser igual a

la de huecos en la banda de valencia, Nh, es decir Ne = Nh, Figura 1.5.

Figura 1.5. En estado de equilibrio la concentración de

electrones, en la banda de conducción, es igual a la

concentración de huecos, en la banda de valencia.

Cuando un semiconductor intrínseco se calienta se produce una excitación térmica, los

electrones de enlace ganan energía de la red y pasan a la banda de conducción,

dejando estados vacantes o huecos en la banda de valencia.

La concentración de portadores de carga (electrones o huecos) intrínsecos (Ni)

depende de la temperatura, Figura 1.6. A mayor temperatura del sólido cristalino

mayor esl la concentración de portadores. El valor de Ni también depende del valor de

la energía de la banda prohibida, Eg, ya que cuanto menor sea Eg mayor es el número

de electrones que tiene energía suficiente para pasar desde la banda de valencia a la

banda de conducción a una temperatura dada.


Banda de valencia

Electrón

Hueco


46

La energía de Fermi en los Semiconductores Intrínsecos

En los semiconductores intrínsecos la energía de Fermi (EF) se ubica

aproximadamente entre la energía del mayor nivel de la banda de valencia (EV) y

la energía del menor nivel de la banda de conducción (EC).

Teniendo en cuenta la función de probabilidad de Fermi-Dirac, la probabilidad de

encontrar niveles de energía, ocupados en la banda de conducción, es muy

pequeña y la probabilidad de encontrar electrones en la banda de valencia es

muy alta. Como el ancho de la banda de energía prohibida es muy pequeño,

entonces muchos electrones se excitan térmicamente de la banda de valencia a

la banda de conducción, y la aplicación de un pequeño

voltaje puede aumentar con facilidad la temperatura de los

electrones en la banda de conducción, produciéndose una

corriente moderada. La conductividad de los

semiconductores depende mucho de la temperatura y se

incrementa con ésta. En contraste con la conductividad de

los metales, que disminuye con la temperatura.

Figura 1.6. Concentración de portadores de carga intrínsecos (electrones o huecos)

en función de la temperatura, para el germanio (Ge), silicio (Si) yb arseniuro de galio

(GaAs). La concentración de portadores de carga aumenta con la temperatura.

http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://images.quebarato.com.pe/T160x160/electricista+ingeniero+lima+lima+peru__4DED5E_1.jpg&imgrefurl=http://lima.quebarato.com.pe/lima/ingenieria-electricista+ingenieros+construccion-y-reforma+servicios.html?pg=2&usg=__sHXbJ0m34BSWFLZfyhFWF-lnQFs=&h=160&w=160&sz=6&hl=es&start=5&sig2=O1ME8bfugnx5nCYJPKClEA&zoom=1&tbnid=c2fEniXjxh5VBM:&tbnh=98&tbnw=98&ei=yC0oTuq5Co7AgQfW9eBc&prev=/search?q=electricista&hl=es&rlz=1W1ADFA_es&biw=820&bih=567&tbm=isch&itbs=1


47

Figura 1.7. En un semiconductor intrínseco la energía de Fermi se ubica en la

mitad de la banda prohibida, entre las energías EC y EV.

EJE

MP

LO

1

La energía de Fermi de cierto semiconductor EF = -0,59 eV. La banda de

valencia tiene un nivel de máxima energía EV = - 1,14 eV y la banda de

conducción tiene un nivel de mínima energía EC = 0,04 eV. Determinar la

probabilidad de encontrar ocupado el nivel de mínima energía de la banda

de conducción, a T = 300K.

1. Calculamos el exponente:

𝑬 − 𝑬𝑭

𝒌𝑻=

(−𝟎, 𝟎𝟒𝒆𝑽) − (−𝟎, 𝟓𝟗𝒆𝑽)

(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟐𝟏. 𝟐𝟕


𝑭 =𝟏


𝒌𝑻

=𝟏

𝟏 + 𝒆𝟐𝟏,𝟐𝟕= 𝟓, 𝟕𝟗 × 𝟏𝟎−𝟏𝟎 ≈ 𝟎%

Hazlo tú

Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima energía

de la banda de valencia EV = - 1,14 eV, es del 99,99%.

EP =-1,14eV

EC= -0,04eV

Energía


Banda de valencia

EF= -059eV

48

TEMA 2

Semiconductores Dopados

Tipo P y Tipo N

Competencia:

Analiza y describe los procesos de conducción en semiconductores dopados.



49

Tema 02: Semiconductores Dopados Tipo P y Tipo N

Los semiconductores intrínsecos presentan una conductividad muy baja, por lo

que se han buscado métodos para aumentar su valor. Esto ha dado lugar al

desarrollo de los semiconductores extrínsecos o dopados.

Semiconductor tipo N

Se puede conseguir que un material semiconductor se convierta en conductor

introduciendo impurezas en el material, mediante un proceso denominado

dopado. Las impurezas en el material semiconductor aportan con un exceso de

electrones de valencia, los cuales pueden pasar fácilmente, a la temperatura

ambiente, a la banda de conducción, produciéndose una conducción extrínseca.

Figura 2.1. Estas impurezas se denominan impurezas donadoras, y el material

obtenido, semiconductor tipo N (negativo).

Figura 2.1. El silicio (Si) se dopa con pequeñas cantidades de

fósforo (P), que tiene cinco electrones de valencia y, por tanto,

un electrón de más. Los electrones sobrantes pasan a la

banda de conducción y se encargan de conducir la corriente

eléctrica.

En el esquema de bandas de energía, esta situación se representa mediante el paso

del electrón desde un cierto nivel de energía donante (Ed) a la banda de conducción.

El nivel de energía Ed, correspondiente al enlace con la impureza, se sitúa en el

interior de la banda prohibida, a unas centésimas de electronvoltios (eV) de energía,

por debajo del nivel de energía de la banda de conducción más baja, Ec, Figura 2.2.


50

Figura 2.2.Esquema de banda de energía de un

semiconductor dopado con fósforo. El enlace del silicio

(Si) con el fósforo (P), genera un nivel de energía (Ed) muy

próximo a la banda de conducción.

Semiconductor Tipo P De forma análoga, también se puede introducir impurezas con menos electrones de valencia que el material semiconductor base. En este caso la impureza aporta con un hueco. La presencia de estos huecos también facilita la conducción de la corriente eléctrica, pues permiten el desplazamiento de los electrones. Estas son impurezas aceptadoras, y el material obtenido se denomina semiconductor tipo P (positivo), Figura 2.3.

Figura 2.3. El silicio (Si) se dopa con impurezas de boro (B) que tiene tres electrones

de valencia y, por tanto, un electrón de menos, es decir un hueco. La presencia de

huecos en la red origina que el material sea un buen conductor.


Banda de valencia

Ed

http://www.kalipedia.com/popup/popupWindow.html?tipo=imagen&titulo=Semiconductor+extr%EDnseco+de+tipo+P&url=/kalipediamedia/ingenieria/media/200708/22/tecnologia/20070822klpingtcn_106.Ges.LCO.png


51

En el esquema de bandas de energía, esta situación se representa mediante el

paso del electrón desde el nivel de energía superior de la banda de valencia (EV)

hasta un cierto nivel de energía aceptadora (EA). El nivel de energía EA,

correspondiente al enlace con la impureza, se sitúa en el interior de la banda

prohibida, a unas centésimas de electronvoltios (eV) de energía, por encima del

nivel de energía superior al de la banda de valencia, EA, Figura 2.4.

Figura 2.4. Esquema de banda de energía de un

semiconductor dopado con boro (B). El enlace del

silicio (Si) con el fósforo (B), genera un nivel de

energía (EA) muy próximo a la banda de valencia.

En general, los semiconductores dopados presentan una concentración de

portadores extrínsecos (electrones o huecos), mucho mayor que la concentración de

portadores intrínsecos, esto origina que la conductividad eléctrica en los

semiconductores dopados sea mayor que la de los semiconductores intrínsecos. Por

este motivo, en la fabricación de dispositivos electrónicos se utiliza principalmente

semiconductores extrínsecos (silicio tipo P y silicio tipo N).

Ley de Acción de Masas

La ley de masas afirma que un semiconductor dopado, tipo N o tipo P a una cierta

temperatura T, la concentración (Ne) de portadores carga negativa (electrones) en

la banda de conducción es inversamente proporcional a la concentración (Nh) de

portadores de carga positivos (huecos) en la banda de valencia, donde la

constante de proporción es la concentración de portadores de carga del

semiconductor intrínseco (Ni).


Banda de valencia

EA


52

𝑵𝒆 × 𝑵𝒉 = 𝑵𝒊𝟐 ……(1)

Cuando un semiconductor puro se dopa con una concentración de impurezas

donadoras Nd, a una temperatura dada, en equilibrio térmico, la concentración de

electrones se equipara a la concentración de impurezas donadoras, Ne = Nd, de tal

manera que la concentración de huecos disminuye. Este hecho hace que la

conducción en los semiconductores tipo N, este dado exclusivamente por los

electrones. De forma análoga, cuando un semiconductor puro se dopa con una

concentración de impurezas aceptoras Na, a una temperatura dada, en equilibrio

térmico, la concentración de huecos se equipara a la concentración de impurezas

aceptoras, Nh = Na, de tal manera que la concentración de electrones disminuye.

Este hecho hace que la conducción en los semiconductores tipo P, este dado

exclusivamente por lo huecos.

EJE

MP

LO

2

A temperatura ambiente (T = 300 K), el silicio tiene una concentración de

portadores intrínseco Ni = 1,45×1010 cm-3. Si al silicio puro se le añade una

concentración de impurezas donadoras, Nd = 1×1014 cm-3, determinar la

concentración de huecos en la banda de valencia.

1. Debes tener en cuenta que la concentración de electrones iguala a la

concentración de las impurezas.

𝑵𝒆 ≈ 𝑵𝒅 ≈ 𝟏 × 𝟏𝟎𝟏𝟒𝐜𝐦−𝟑

2. Reemplazando este resultado en la ley de masas, para calcular la

concentración de huecos.

𝑵𝒉 =𝑵𝒊

𝟐

𝑵𝒆=

(𝟏, 𝟒𝟓 × 𝟏𝟎𝟏𝟎)𝟐

𝟏 × 𝟏𝟎𝟏𝟒= 𝟐, 𝟏 × 𝟏𝟎𝟔𝐜𝐦−𝟑

Hazlo tú

El arsenuro de galio (GaAs) tiene una concentración de portadores intrínsecos

Ni = 1,79×106 cm-3 y se dopa con una impureza aceptora con una

concentración de , Na = 1×1014 cm-3, verifica que la concentración de

electrones es concentración de 0,032 electrones/cm3


53

La energía de Fermi en los Semiconductores Dopados

Hemos visto que en los semiconductores intrínsecos la energía de Fermi se ubica

en la mitad de la banda prohibida, en el caso de los semiconductores extrínsecos

o dopados la energía de Fermi depende de la concentración de la impureza

dopadora y de la temperatura. En la Figura 2.5, se muestra la energía de Fermi,

representada por las curvas con diferentes colores entre las energías de la banda

de valencia (EV) y la banda de conducción (EC). También se puede observar que

cualquiera sea la concentración de las impurezas, cuando la temperatura aumenta

la energía de Fermi tiende a ubicarse en la mitad de la banda prohibida.

Figura 2.5. La energía de Fermi (EF), representadas por las curvas de colores, en

función de la concentración de las impurezas donadoras y aceptoras y de la

temperatura.

Para semiconductores tipo N, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la banda

de conducción, de acuerdo a la distribución de Fermi-Dirac , significa que existe

una mayor probabilidad de encontrar electrones en la banda de conducción que

huecos en la banda de valencia.


54

Figura 2.6. En un semiconductor tipo N, la energía de Fermi se

ubica muy cerca de la banda de conducción.

Para semiconductores tipo P, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la banda

de valencia. De acuerdo a la distribución de Fermi-Dirac, significa que existe una

gran probabilidad de encontrar muchos estados vacantes o huecos en la banda de

valencia y poca probabilidad de encontrar electrones en la banda de conducción.

|

Figura 2.7. En un semiconductor tipo N, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la

banda de conducción.

EP =-1,14eV

EC= -0,04eV

Energía


Banda de valencia

EF

EV=-1,2eV

EC= -0,1 eV

Energía


Banda de valencia

EF


55

Figura 2.8. Esquema comparativo de los niveles de energía de Fermi en un semiconductor tipo N y tipo P.

EJE

MP

LO

3

La energía de Fermi de cierto semiconductor tipo N, es EF = -0,2 eV. La banda de

valencia tiene un nivel de máxima energía EV = - 1,2eV y la banda de conducción

tiene un nivel de mínima energía EC = -0,1eV. Determinar la probabilidad de

encontrar ocupado el nivel de mínima energía de la banda de conducción, a T =

300K.

1. Calculamos el exponente:

𝑬 − 𝑬𝑭

𝒌𝑻=

(−𝟎, 𝟏𝒆𝑽) − (−𝟎, 𝟐𝒆𝑽)

(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟑, 𝟖𝟕


𝑭 =𝟏


𝒌𝑻

=𝟏

𝟏 + 𝒆𝟑,𝟖𝟕= 𝟎, 𝟎𝟐𝟎 = 𝟐%

Hazlo tú

Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima energía de

la banda de valencia EV = - 1,2 eV, es del 98%.

56

TEMA 3

Competencia:

Analiza y clasifica los procesos de conducción a través de una unión P-N

Diodo El

P – N: Unión



57

Tema 03: Unión P - N: El Diodo

Unión P-N sin Polarización Externa o sin Conexión a una Batería

Cuando un semiconductor tipo P se une con semiconductor tipo N, para formar

una unión P-N o diodo P-N, a una cierta temperatura, la diferencia de

concentración de electrones y huecos entre las zonas N y P, origina que los

electrones de la zona N pasan a la zona P y los huecos de la zona P pasan a la

zona N.

En la unión los electrones que van llegando a la zona P generan un campo

eléctrico que se opone cada vez más a que otros electrones pasen, hasta que se

alcanza un estado de equilibrio en el cual no pasan más electrones. En este

estado de equilibrio la unión queda cargada con una concentración de cargas

negativas en la zona P y una concentración de cargas positivas en la zona N. El

campo eléctrico que logra equilibrar al proceso de difusión y evita que los

electrones pasen de una zona a otra, tiene asociado una diferencia de potencial o

voltaje llamado Voltaje de contacto o Barrera de potencial. El voltaje de

contacto a 25 ºC, es de 0,3 V para unión P-N de germanio (Ge) y 0,7 V para unión

de silicio (Si).

Figura 3.1. Esquema que muestra qué ocurre en una unión P-N. Los electrones

libres de la zona N, pasan a ocupar los huecos de la zona P, de modo que en la

unión la zona P se carga negativamente y la zona N se carga positivamente.


58

En equilibrio, cuando electrones y huecos no pasan de una zona a otra, se puede

dividir la unión en tres regiones semiconductoras. Dos regiones neutrales y una

región de agotamiento o zona de carga.

|

Figura 3.2. En equilibrio térmico la unión P-N, está dividido en tres regiones. En la

región de agotamiento hay un campo eléctrico interno (E) que tiene un valor

máximo en la unión, en esta misma región hay un voltaje de contacto (ΔV).


59

Figura 3.3. Interpretación de la difusión de los electrones de la zona N a la zona P,

usando un esquema de bandas.

Figura 3.4. (a) Esquema de una unión P-N, (b) símbolo usado en circuitos y (c) diodo,

componente que posee una unión P-N


60

Unión P N con polarización externa directa o conectado a una batería en forma directa

Se dice que una unión P-N está sujeto a una polarización externa directa

cuando se conecta a una batería, de tal modo que el polo positivo de la batería se

conecta con la zona P y polo negativo con la zona N, tal como se muestra en la

Figura 3.5.

Cuando el voltaje de la batería es mayor que el voltaje de contacto en la unión

(mayor que 0,3V para la unión P-N de germanio) los electrones libres del cristal N,

son empujados para saltar a los huecos del cristal P, atravesando la región de

agotamiento. De modo que se establece un flujo de electrones desde el polo

negativo hacia el polo positivo de la batería.

Figura 3.5. Diodo P-N con polarización externa directa con una batería.

Por convención el sentido de la corriente eléctrica es contrario al flujo de

los electrones, por eso en la figura 5, la corriente se ha dibujado de modo

que circula contrario al flujo de electrones.


61

Unión P N con polarización externa inversa

Se dice que una unión P-N está sujeto a una polarización externa inversa

cuando el polo negativo de la batería se conecta a la zona P y el polo positivo

a la zona N. En este el polo negativo de la batería atrae a los huecos y el polo

positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se

alejan de la unión y la zona de agotamiento o zona de carga se ensancha,

hasta que en un instante dado el voltaje de contacto logra equilibrar al voltaje

de la batería y los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión, Figura

3.6.

En esta situación, el diodo P-N no debería conducir la corriente; sin embargo,

debido al efecto de la temperatura se forman pares electrón-hueco a ambos

lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 10 -12 A)

denominada corriente inversa de saturación (Is). Además, existe también

una denominada corriente superficial de fugas (If) la cual, como su propio

nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya

que en la superficie los átomos de silicio no están rodeados de suficientes

átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener

estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la

zona N como de la P, tengan huecos en su orbital de valencia con los que los

electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, esta puede ser

despreciable.

Figura 3.6. Diodo P-N con polarización externa inversa. En estas condiciones

existe una corriente inversa muy pequeña, muchas veces despreciable.


62

El diodo P-N en un circuito

Cuando un diodo P-N está en polarización directa deja pasar al corriente del

polo positivo al polo negativo, esto significa que el diodo actúa como un

interruptor cerrado, dejando pasar la corriente, Figura 3.7. Cuando el diodo P-N,

está en polarización inversa deja pasar una corriente inversa muy pequeña

desde el polo negativo al polo positivo, esto significa que el diodo actúa como un

interruptor abierto, Figura 3.8.

Figura 3.7. (a) Símbolo de un diodo con polarización directa equivalente un interruptor

cerrado. (b) Al conectar un diodo en forma directa actúa como interruptor cerrado

dejando pasar la corriente y el foquito se enciende.

Figura 3.8. (a) Símbolo de un diodo con polarización inversa equivalente a un

interruptor abierto (b). Al conectar un diodo en forma inversa actúa como interruptor

abierto, no pasa corriente y por eso el foquito no se enciende.


63

Curva característica de una unión P-N

Como hemos mencionado, cuando un diodo P-N se conecta en forma directa a

una batería este deja pasar la corriente, esta intensidad de corriente (Ii) aumenta

conforme aumenta el voltaje aplicado por la batería (V) , pero si conectamos la

batería en forma inversa este deja pasar un corriente inversa (Iinv) que es muy

pequeña, del orden de ~ 10-12 A. Este hecho se puede representar en un gráfica

corriente vs voltaje aplicado por la batería, Figura 3.9.

Figura 3.9. Curva característica de un diodo P-N sometido a un voltaje o

polarización externa. En la conexión directa la corriente aumenta

conforme aumenta el voltaje externo aplicado. En la conexión inversa la

corriente inversa aumenta hasta llegar a un valor de saturación (-Iinv).

«El signo negativo en la intensidad de corriente inversa (-

Iinv) indica que la corriente circula del polo negativo al polo

positivo de la batería»

Iinv~ 10-12 A

I(A)

ΔV(voltios)

64

TEMA 4

El Modelo Matemático

de un Diodo

Competencia:

Analiza la intensidad de corriente de un diodo en función del voltaje aplicado.



65

Tema 04: El Modelo Matemático de un Diodo

El Modelo De Shockley

El modelo matemático de un diodo es la ecuación que relaciona la intensidad de

corriente en el diodo. Figura 3.10, el modelo más empleado es el de Shock ley (en

honor a William Bradford Shock ley) que permite aproximar el comportamiento del

diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de

corriente y la diferencia de potencial es:

𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣(𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑻 − 1)

Donde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo (amperios)

V es el voltaje en los extremos del diodo (voltios).

VT es el voltaje térmico (voltios).

Iinv. es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)

n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación

del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden

de 2 (para el silicio).

El voltaje térmico VT para cada temperatura está definido como:

𝑉𝑻 = 𝑐 𝑇

Donde:

c = 8,62×10-5V/K constante de proporción

T = es la temperatura absoluta de unión P-N


66

Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1

de la ecuación, quedando como resultado:

𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣 𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑻

EJE

MP

LO

3

Un diodo hecho de silicio tiene una corriente inversa de saturación

2,00 nA y el coeficiente de emisión de este diodo n = 2,20. Determina la

intensidad de corriente que circulara por el diodo en conexión directa

cuando se conecta a un voltaje externo de 1,20V, a la temperatura de

300K.

Resolución

1. Calculamos el voltaje térmico:

𝑽𝑻 = 𝒄 𝑻 = (𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝑽/𝑲) (𝟑𝟎𝟎𝑲) = 𝟎,𝟎𝟐𝟓𝟖𝟔 𝑽

2.Calculamos la razón:

𝑽

𝒏𝑽𝑻=

𝟏, 𝟐𝟎𝑽

𝟐, 𝟐𝟎 × 𝟎, 𝟎𝟐𝟓𝟖𝟔𝑽= 𝟐𝟏, 𝟏

3. Calculamos la intensidad de corriente usando la ecuación de Shockley:

𝑰 = 𝑰𝒊𝒏𝒗(𝒆𝑽/𝒏𝑽𝑻 − 𝟏)

𝑰 = (𝟐𝒏𝑨)(𝒆𝟐𝟏,𝟏 − 𝟏)

𝑰 = (𝟐 × 𝟏𝟎−𝟗)(𝒆𝟐𝟏,𝟏 − 𝟏)

𝑰 = 𝟐, 𝟗𝟏𝑨

Hazlo tú

Un diodo de germanio con una corriente de saturación de 2,00 µA y un

coeficiente de emisión n = 1,2. Verifica que la intensidad de corriente a

través del diodo cuando se conecte a un voltaje externo directo de 0,5

V a la temperatura de 300K, es igual a 19,84 A.


67

Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean

modelos más simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del

diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-

señal. El más simple de todos es el diodo ideal.

El efecto Zener

Cuando un diodo se conecta de forma inversa, y el voltaje externo aumenta en

cantidades muy grandes, la corriente inversa aumenta levemente hasta alcanzar

un voltaje determinado, muy grande, conocido como voltaje de ruptura (VR)

donde ocurre un proceso de avalancha y la corriente inversa se hace muy intensa.

El proceso de avalancha ocurre cuando los electrones en la unión P-N adquieren

la suficiente energía del campo eléctrico, que al colisionar con electrones de

valencia estos saltan a la banda de conducción, de modo que se producen huecos

adicionales y un mayor número de electrones en la banda de conducción, y la

corriente inversa aumenta hasta valores muy grandes.

La curva característica de un diodo en general está dada en la Figura 4.1. La parte

de la curva en la cual los valores de la intensidad de corriente y el voltaje

representan el comportamiento del diodo en polarización directa, mientras que los

valores negativos representan la polarización inversa. En polarización directa,

según va aumentando el voltaje, existe pequeño tramo en el cual la corriente es

muy pequeña, casi nula, hasta un valor VK, conocido como voltaje de codo, a partir

del voltaje de codo la corriente aumenta conforme aumenta el voltaje hasta llegar

a una voltaje en el cual el diodo se quema.

Figura 4.1. Curva característica de un diodo P-N sometido a un voltaje externo. En

polarización directa el voltaje codo es de 0,5V. En polarización inversa, el voltaje

de ruptura es de aproximadamente VR = 0,3V.


68

El efecto Tunnel

En 1958 Esaki mostró que en la unión P-N de dos semiconductores tipo P y

tipo N con grandes concentraciones de impurezas podrían causar un efecto

túnel de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la

unión, cuando son conectados en polarización directa.

La curva característica de estos tipos de diodos P-N, presenta una región en

la cual la intensidad de corriente aumenta y disminuye conforme el voltaje

aumenta, Figura 4.2.

Aquí se muestra que para pequeños voltajes (V ≈ 0,3 V) los electrones de la

banda de conducción de la zona N logran cruzar la región de agotamiento

hacia la banda de valencia de la zona P, mediante un proceso cuántico

denominado efecto túnel .

Figura 4.2. Curva característica de un diodo P-N túnel.

Efecto túnel según la mecánica cuántica

La mecánica cuántica justifica el hecho de que existe una pequeña

probabilidad que los electrones puedan pasar de un nivel de energía menor a

otro de energía mayor aun cuando no se disponga de la suficiente cantidad de

energía para dar este salto. El fenómeno cuántico es llamado efecto túnel.

I(A

)

V(voltios)

Curva de

diodo normal Ipico

Ivalle

Vvallec≈0,3 V

Polarización

directa


69


VÍDEO: “SEMICONDUCTORES” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=rm8V7aBWvXM

VÍDEO: “LA MANUFACTURA DE UN SEMICONDUCTOR: TEXAS INSTRUMENT” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=YroyIXq2Iz0

LECTURA: “LECCIONES DE ELECTRÓNICA” http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pagina_diodo/diodo.htm

1.- Ingresa al siguiente link: “SEMICONDUCTORES” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:

siguientes links, descarga la información relacionada con los

semiconductores.

a) Informate 1

b) Informate 2

Realiza una presentación en Power Point sobre los

semiconductores intrínsecos y los semiconductores dopados, como máximo 16

diapositivas. publica tu presentación en:

www.slideshare.net

Envía la dirección de tu publicación a tu profesor.

Importante: En tus presentaciones, haz referencia a la fuente de información de

donde has obtenido las imágenes. Esto demostrará que has realizado una buena

investigación.


http://www.youtube.com/watch?v=rm8V7aBWvXM

http://www.youtube.com/watch?v=YroyIXq2Iz0

http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pagina_diodo/diodo.htm

http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:fETr8RK0P0kJ:www.uv.es/candid/docencia/ed_tema-02.pdf+semiconductores+intrinsecos&hl=es&gl=pa&pid=bl&srcid=ADGEESjhmyE4jefWQku0PWY3XRjoxu6lv1Gi2aF3xlOIzM7X0jX65z9osOE40KqvjA6d8c-C1UbAZYRPU08oM_QsokLk3jMWKzUMi1K4b17Kx_OdUPZe81LSueafc3v_0JQWAbYJEMUs&sig=AHIEtbTevTuF6FzP0UrVINaoLKXu-r8v7w

http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/electronica/contenido/electronica/Tema1_SemiConduct.pdf

http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/electronica/contenido/electronica/Tema1_SemiConduct.pdf



70

2.- Ingresa al siguiente link: “UNION P-N” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:

Ingresa a la siguiente página web y explora los applets mostrados, luego

redacta en un documento en MS Word explicando lo que muestra cada applet,

dos páginas por cada uno. Utiliza imágenes en tu explicación.

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/3.Union_

PN_en_equilibrio_y_polarizada/Applet3.html

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/4.La_ley

_de_Shockley/Applet4.html

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/Applet3/

DiodoConmutaApplet.html

Suscríbete y Publica tu trabajo en : http://es.scribd.com/

Envía la dirección de tu publicación a tu profesor

1. Ingresa al siguiente link: “CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO” lee

atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:

Indaga en el Internet sobre la curva característica de un diodo zener y un

diodo tunel. Luego en una hoja de MS Word, describe las partes de esta

gráfica.

Suscríbete y publica tu trabajo en : http://es.scribd.com/

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Los applets son animaciones interactivas, para que puedas

visualizar estas aplicaciones es necesario tener actualizada java en

tu computador, descárgalo gratis en www.java.com

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71

Autoevaluación

1) Seleccione la afirmación INCORRECTA

a. Un hueco es un portador de carga positivo y tiene movilidad en la banda

de valencia.

b. En un semiconductor intrínseco en equilibrio térmico la concentración de

electrones y huecos son iguales

c. Cuando un semiconductor se calienta la concentración de portadores de

carga, electrones y huecos aumentan.

d. El Fósforo es un semiconductor intrínseco

e. La energía de Fermi en un semiconductor está en el medio de la banda

prohibida.

2) Si en un semiconductor intrínseco la banda prohibida tiene un ancho de 3,04

eV, y la banda de conducción, de menor energía, tiene, -0,01 eV, determinar

la mayor energía en la banda de valencia y cuánto vale la energía de Fermi,

respectivamente.

a. -3,05 eV; -1,53 eV

b. -3,03 eV; -1,51 eV

c. -3,03 eV; -1,53 eV

d. -3,05 eV; -1,51 eV

e. -3,04 eV; -1,52 eV

3) De acuerdo a la función de distribución de Fermi-Dirac, existe una mayor

probabilidad de encontrar un electrón en:

a. La banda de valencia

b. La banda prohibida

c. La banda de conducción

d. La banda prohibida y en la banda de valencia

e. La banda prohibida y en la banda de conducción


72

4) En la figura se muestra una red de átomos de silicio dopado con antimonio

(Sb). Indicar verdadero (V) o falso (F) sobre las siguientes afirmaciones:

I. El antimonio (Sb) actúa como una

impureza aceptora.

II. El semiconductor extrínseco es tipo N.

III. Los electrones del antimonio pueden

saltar fácilmente a la banda de

conducción.

a. VVV

b. FFF

c. FVV

d. VFF

e. FVF

5) Seleccione la afirmación CORRECTA

a. En los semiconductores tipo P la energía de Fermi está cerca de la

banda de conducción.

b. En los semiconductores tipo N, la energía de Fermi está cerca de la

banda de valencia.

c. Según la distribución de Fermi-Dirac en los semiconductores tipo N existe

una mayor probabilidad de encontrar huecos en la banda de valencia que

electrones en la banda de conducción.

d. En un semiconductor tipo N cuando la temperatura aumenta la energía

de Fermi tiende al valor del semiconductor intrínseco

e. Cuando el silicio se dopa con boro se obtiene un semiconductor tipo N.


73

6) Cuando dos semiconductores tipo P y tipo N se ponen en contacto, entonces

es INCORRECTO afirmar:

a. Los electrones de la zona N pasan a la zona P

b. Los electrones pasan de la zona P pasan a la zona N.

c. Aparece un campo eléctrico que aguanta a los electrones en la zona P.

d. Aparece un voltaje de contacto muy pequeño.

e. Los huecos pasan de la zona P a la zona N.

7) Cuando un diodo o unión P-N se conecta foquito y estos se conectan en

forma directa a un voltaje externo, como el de una batería, entonces es

CORRECTO afirmar:

a. El diodo no deja pasar la corriente y el foquito permanece apagado.

b. El polo positivo de la batería está conectado con la zona N del diodo.

c. El diodo actúa como un cable abierto.

d. Aparece una contracorriente muy pequeña que es insuficiente para

encender el foquito.

e. El diodo deja pasar la corriente y el foquito se enciende.

8) En la figura se muestra la corriente en función del voltaje al cual es

conectado un diodo, esta curva se denomina:

a. Curva inversa

b. Curva de corte

c. Curva característica

d. Curva de ruptura

e. Curva directa


74

9) El modelo matemático que mejor representa la curva característica de un

diodo, sin tener en cuenta la zona de ruptura, está dado por:

a. Las ecuaciones de Kirchhoff

b. La ecuación de Shockley

c. La ecuación de Ohm

d. La ecuación de Newton

e. La ecuación de Pauli

10) Marque la alternativa correcta; verdadero (v) ó falso (f) según corresponda:

I. Cuando un diodo con polarización inversa es sometido a un voltaje alto,

ocurre el efecto Zener.

II. El efecto Zener consiste en el paso de una avalancha de electrones

produciéndose una corriente inversa muy intensa.

III. En los diodos Tunel, los electrones de valencia atraviesan la banda

prohibida con muy poca energía produciéndose una mayor intensidad de

corriente en pequeños cambios de voltaje.

IV. En los diodos Tunel, se produce un pico de intensidad de corriente para

voltajes muy pequeños, del orden de 0,3V.

a. VVFF

b. FFVV

c. FFFF

d. VVVV

e. VVVF


75

Resumen

UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIII::

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o

como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo

eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del

ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de

la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. El Semiconductor intrínseco tiene

Materiales como el Germanio (Ge) o el Silicio (Si), donde los electrones de la banda

de valencia saltan a la banda de conducción, por acción de calor, luz o voltaje.

Debido a ello se produce una corriente intrínseca. La energía de Fermi se encuentra

en el medio de la banda prohibida.

Semiconductor extrínseco tipo N es un Semiconductor como el Silicio (Si) que es

tetravalente y se dopa con una impureza donadora como el Fósforo (P) que es

pentavalente. La impureza dona electrones a la banda de conducción y se vuelve un

buen conductor de electrones. Semiconductor extrínseco tipo P.- Semiconductor

como el Silicio (Si) que es tetravalente y se dopa con una impureza aceptadora

como el Boro (B) que tiene tres electrones de valencias. La impureza acepta

electrones de la banda de valencia y se vuelve un buen conductor de portadores

positivos.

Ley de acción de masas.- La concentración de portadores de carga positivas es

inversa a los portadores de carga negativa (electrones).

𝑁𝑒 × 𝑁ℎ = 𝑁𝑖2

Unión P-N o diodo Es la unión de dos semiconductores tipo P y tipo N. cuando se

conecta a una diferencia de potencial o voltaje en forma directa actúa como un

interruptor cerrado y deja pasar la corriente y en forma inversa actúa como un

interruptor abierto. Curva característica de un diodo. Es una gráfica de la intensidad

de corriente en función del voltaje directo e inverso aplicado sobre el diodo.

El modelo de Shockley es un modelo que relaciona la intensidad de corriente del

diodo en función del voltaje aplicado. Este modelo describe muy bien la curva

característica de un diodo.

𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣(𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑇 − 1)

El Efecto Zener es un fenómeno que se da cuando un diodo se conecta en inversa a

un voltaje muy grande (voltaje de ruptura), donde el diodo se hace conductor de

modo que se produce una avalancha de electrones y el diodo conduce una alta

intensidad de corriente.

http://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Aislante_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementos


77

Introducción

a) Presentación y contextualización Con el conocimiento de los semiconductores y de los fenómenos que ocurrían

cuando dos semiconductores tipo P y tipo N se unían para formar un diodo,

apareció en escena el transistor electrónico que revolucionó con la industria

electrónica, pudiendo diseñar y construir circuitos muy pequeños.

Todos los circuitos electrónicos tiene entres sus partes diodos y transistores, en

esta unidad vamos a ver los diferentes tipos de diodos y transistores, y sus

aplicaciones en circuito electrónicos básicos.

b) Competencia Reconoce diodos y transistores en circuitos electrónicos básicos

c) Capacidades

1. Reconoce y analiza los diodos semiconductores en circuitos electrónicos.

2. Analiza un circuito rectificador formado por diodos.

3. Reconoce y analiza los transistores en circuitos electrónicos.

4. Reconoce y describe los transistores de campo JFET y MOSFET.

d) Actitudes

Valora el uso de los diodos y transistores en la tecnología electrónica.

Realiza los trabajos con entusiasmo y solidaridad.

e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 3: Dispositivos Semiconductores comprende el

desarrollo de los siguientes temas:

Tema 01: Diodos semiconductores

Tema 02: Circuito rectificador

Tema 03: Transistores

Tema 04: Transistores unipolares

78

TEMA 1

Diodos

Semiconductores

Competencia:

Reconoce y analiza los diodos semiconductores en circuitos electrónicos.



79


Tema 01: Diodos Semiconductores

Existen varios tipos de diodos que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas,

uso de electrodos que tienen características eléctricas particulares, usados para

una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es

fundamentado por principios de la mecánica cuántica y teoría de bandas.

Diodo avalancha

Es un diodo semiconductor diseñado especialmente para trabajar en tensión

inversa. En estos diodos, poco dopados, cuando el voltaje externo en polarización

inversa alcanza el valor del voltaje de ruptura, los electrones se aceleran y

colisionan con otros electrones de valencia, liberándolos, produciéndose una

avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el

diodo sin apenas incremento del voltaje.

Aplicación

La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicos contra

sobretensiones o picos de voltajes. El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo

que mientras el voltaje externo se mantenga por debajo del voltaje de ruptura sólo

será atravesado por la corriente inversa de saturación, que es muy pequeña, por lo

que la interferencia con el resto del circuito es mínima; a efectos prácticos, es como

si el diodo no existiera. Al incrementarse el voltaje del circuito por encima del valor

de ruptura, el diodo comienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra

evitando daños en los componentes del circuito.

Figura 1.1. Diodo Avalancha R2M

Datos técnicos:

•Voltaje de ruptura = 130 V

• Corriente máxima promedio, (corriente directa)= 1 A


80

Diodo Zener

El diodo Zener es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en

las zonas de rupturas. El diodo Zener presenta comportamientos similares a los

diodos de avalancha, pero los mecanismos involucrados son diferentes.

Si a un diodo Zener se le conecta en polarización directa toma las características

de un diodo normal, pero si se conecta en polarización inversa y se aplica un

voltaje muy grande cercano a la de ruptura el voltaje en el diodo permanece

constante y el diodo no se destruye, este voltaje es conocido como el voltaje zener

por lo que sus principales aplicaciones son de regulador de voltaje.

(a)

(b)

Figura 1.2. (a) Diodo Zener y (b) símbolo del diodo Zener

Fotodiodos

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la

incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se

polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente

cuando sea excitado por la luz.

El principio de un fotodiodo está basado en el hecho de que los fotones que inciden

en el fotodiodo excitan a un electrón de la banda de valencia, dándole energía. Los

electrones excitados saltan a la banda de conducción, creando a su vez huecos en

la banda de valencia. Si la absorción de fotones ocurre en la zona de agotamiento de

la unión, estos portadores son retirados de la unión por el campo eléctrico de la zona

de agotamiento, produciendo una fotocorriente, Figura 1.3


81

Figura 1.3. Esquema de la creación de un par electrón-hueco (a). El campo eléctrico

en la unión P-N (b). Un fotón de luz proporciona energía a un electrón para que pase

a la banda de conducción. Se genera el par electrón – hueco (c). El campo mueve a

los electrones o que es lo mismo, los huecos se mueven en la dirección del campo

produciendo una fotocorriente.

La Fotocorriente depende de la longitud de onda de la luz, Tabla 1.1, y circula en

sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su

funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un

aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz.

(a)

(b)

Figura 1.4. (a) Fotodiodos sensibles a diferentes longitudes de onda (b).

Símbolo de un fotodiodo.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Photo-diode.svg


82

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para

definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz

visible; germanio para luz infrarroja; o de cualquier otro material semiconductor

Tabla 1.1. Semiconductores usados en los fotodiodos de

acuerdo a la longitud de onda al cual son sensibles

Material Longitud de onda (nm)

Silicio 190–1100

Germanio 800–1700

Indio galio arsénico 800–2600

Sulfuro de plomo <1000-3500

Figura 1.5. Estructura de un fotodiodo, al penetrar luz o radiación infrarroja en la

unión PN, se generan electrones libres y huecos, produciéndose una corriente a

través de la unión PN. Esto significa, que cuanto mayor es la cantidad de luz que

incide en el fotodiodo, tanto más intensa es la corriente que fluye a través del

fotodiodo. Este fenómeno recibe el nombre de efecto fotoeléctrico interno.


83

Figura 1.6. Esquema de un circuito con un resistor R conectado a un

fotodiodo, se muestra el amperímetro A y el voltímetro V (a) Cuando hay

escasa luz la intensidad de corriente es pequeña. (b) Cuando hay abundante

luz la intensidad de corriente es mayor.

El diodo LED

Un LED (de la sigla inglesa LED: Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’) es

un diodo semiconductor que emite luz. Cuando un LED se encuentra en

polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el

dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado

electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón)

se determina a partir de la banda de energía del semiconductor.

Los LEDdes se usan en aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación,

iluminación automotriz (específicamente las luces de posición trasera,

direccional e indicadores) así como en las señales de tráfico. Los LEDes

infrarrojo también se usan en unidades de control remoto de muchos productos

comerciales incluyendo televisores, reproductores de DVD, entre otras

aplicaciones domésticas.


84

(a) (b)

Figura 1.7. (a) Diodo LED que emite luz azul (b) Símbolo de un diodo LED,

emisor de luz

Tabla 1.2. Compuestos empleados en la construcción de LEDes

Compuesto Color Longitud de onda

Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm

Arseniuro de galio y

aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo 890 nm

Arseniuro fosfuro de galio

(GaAsP) Rojo, anaranjado y

amarillo

630 nm

El diodo laser El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo

las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de

inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD.

(a)

(b)

Figura 1.8. (a) Diodo laser usado en los lectores de DVD (b) Símbolo de un diodo

laser.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Simbolo_Electrico_diodo_LED.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tunnel_diode_symbol.svg


85

Circuito simple de diodo con resistencia y un voltaje externo Vamos a analizar el paso de la corriente en un circuito formado por un diodo, una

resistencia y un voltaje externo que puede ser el de una batería. Cuando un diodo se

conecta en forma directa con un resistor el voltaje externo se reparte entre el diodo y la

resistencia.

𝑽 = 𝒊𝑹 + 𝑽𝑫

Donde:

V = voltaje externo (V)

i = intensidad de corriente (A)

R = resistencia eléctrica (Ω)

VD = voltaje del codo (conexión directa) o voltaje de zener (en inversa)

EJE

MP

LO

1

En la figura se muestra una conexión

directa de un diodo. El voltaje de codo es

0,7 V, el voltaje de la pila es 4,5 V y la

resistencia R = 1,2kΩ. Determinar la

corriente por circuito.

Resolución: Calculamos el voltaje térmico:

𝑉 = 𝑖𝑅 + 𝑉𝐷 → 4,5 = 𝑖(1200) + 0,7 → 𝑖 = 3,17𝑚𝐴

EJE

MP

LO

2

En la figura se muestra una conexión

inversa de un diodo zener. El voltaje zener

es de 12V y R = 150 Ω. Determinar la

corriente en el circuito cuando el voltaje V

es (a) 8V y (b) 20V

Resolución

(a) El voltaje externo es menor que el voltaje zener, no se produce avalancha y el

diodo actúa como un circuito abierto, i = 0.

(b) El voltaje externo es mayor que el voltaje zenner, entonces e produce

avalancha y el diodo deja pasar una corriente inversa.

𝑉 = 𝑖𝑅 + 𝑉𝑍 → 20 = 𝑖(400) + 12 → 𝑖 = 20𝑚𝐴

86

TEMA 2 Circuito

Rectificador

Competencia:

Analiza un circuito rectificador formado por diodos.



87

Tema 02: Circuito Rectificador

En electrónica, un circuito rectificador permite convertir una señal eléctrica alterna

en una continua. Este proceso se realiza utilizando diodos rectificadores.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

El rectificador de onda completa es un circuito empleado para eliminar la parte

negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi)

convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo).

Figura 2.1. Esquema de un voltaje alterno rectificado.

Figura 2.2. Diodo usado en circuitos

rectificadores.

Datos del diodo rectificador:

MR506:1N5406

Diodo rectificador de propósito general

de 600 Volts a 3 Amperes


88

El circuito, representado en la Figura 1, funciona como sigue:

El transformador convierte la tensión alterna de entrada en otra tensión alterna

del valor deseado.

Figura 2.3. Esquema de un transformador que convierte de un voltaje

alterno 10V a un voltaje alterno de 6V.

El voltaje de salida del transformador es rectificado durante el primer semiciclo

positivo por los diodos externos.

Figura 2.4. Esquema del voltaje rectificado por un par de diodos.

Durante el segundo semiciclo, semiciclo negativo, el voltaje es rectificado por

los diodos interiores, de forma que a la carga R le llega un voltaje positivo

pulsante pero de corriente continua en una sola dirección.

Figura 2.5. Esquema del voltaje rectificado por un par de diodos.


89

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON FILTRO RC

En el proceso de rectificación explicada anteriormente, no se ha conseguido una

corriente continua pura; para ello sería necesario eliminar los pulsos, tal operación

se denomina filtrar.

En el proceso de filtrado no se obtiene corriente continua pura, sino que nos

quedamos con una pequeña parte del voltaje positivo pulsante, que se llama

rizado.

El proceso de filtrado en un circuito rectificado se realiza introduciendo un

condensador en paralelo a la resistencia. En el primer semiciclo positivo, el

condensador se carga hasta tener un voltaje igual al voltaje máximo. En el

semiciclo negativo el condensador compensa la disminución del voltaje alterno, por

lo que aparece un voltaje rectificado similar a un rizo.

Figura 2.6. Esquema del voltaje rectificado y filtrado. El voltaje de salida no es

completamente constante.

𝑽𝒓𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐 =𝒊

𝒇𝑪

Donde

i = intensidad de corriente sobre R (Ω) f = frecuencia del voltaje alterno (Hz) C = capacitancia del condensador (F)


90

EL VOLTAJE EFICAZ

Cuando se mide con un multímetro el voltaje alterno, el valor que se obtiene es el

voltaje eficaz o el valor cuadrático medio del voltaje alterno, el cual se calcula:

𝑽𝒆𝒇𝒊𝒄𝒂𝒛 = √𝑽𝒎𝒂𝒙

𝟐

𝟐

Así por ejemplo, si medimos el voltaje alterno del toma corriente que tenemos en

casa o en la oficina, el multímetro indicará 220V, este valor es el voltaje eficaz, si

deseamos saber el voltaje máximo del voltaje alterno que recibimos este se

calcula, a partir de la ecuación anterior.

𝑽𝒎𝒂𝒙 = √𝟐𝑽𝒆𝒇𝒊𝒄𝒂𝒛

𝑽𝒎𝒂𝒙 = √𝟐(𝟐𝟐𝟎) = 𝟑𝟏𝟏𝑽

Figura 2.7. El voltaje alterno que recibimos en casa tiene un

valor máximo de 311V

EJE

MP

LO

3

En la figura se muestra un voltaje alterno con un voltaje máximo de 100V,

determinar el voltaje eficaz de este voltaje alterno.

Resolución

1. Calculamos el voltaje de rizado, en la figura C = 10μF = 10×10-6F:

𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 = √𝑉𝑚𝑎𝑥

2

2= √

1002

2= 70,7𝑉


91

EJE

MP

LO

3

En el circuito de la figura determinar, el transformador reduce el voltaje de

220 V a 12V . Hallar el voltaje de salida media, si se sabe que la corriente

que pasa por la resistencia es de 12mA y la frecuencia del voltaje es de

50Hz.

Resolución

1. El voltaje de salida media está dado por:

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ≈ 𝑉𝑚𝑎𝑥 −𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

2

2. Primero calculamos el voltaje de rizado, en la figura C = 10μF = 10×10-6F:

𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑖

𝑓𝐶=

12 × 10−3𝐴

(50𝐻𝑧)(10 × 10−6𝐹)= 24𝑉

3. Ahora el voltaje máximo

𝑉𝑚𝑎𝑥 = √2𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 = √2(12) = 17𝑉

4. Entonces:

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ≈ 𝑉𝑚𝑎𝑥 −𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜

2= 17 −

24

2= 5𝑉

Hazlo tú

En el circuito rectificador con filtro RC, si el condensador tuviera una

capacitancia, C = 400µF, la corriente en la resistencia fuera de 50mA, el

trasformador reduce el voltaje de 220V a 12V y la frecuencia del voltaje es

de 50hz. Determinar el voltaje medio de salida del rectificador.

92

TEMA 3

Competencia:

Reconoce y analiza los transistores en circuitos de electrónica

Transistores



93

Tema 03: Transistores

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones

de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la

contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").

Actualmente, se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos

de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video,

hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración,

alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas

fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3,

teléfonos móviles, etc.

El Transistor Bipolar

El transistor de unión bipolar, (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas

BJT) está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor,

separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres

regiones: NPN o PNP.

En un transistor el semiconductor intermedio es conocido como Base, los otros

dos como Emisor y Colector, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a

la Base, tienen diferentes concentraciones de impurezas, entre ellas, el emisor

está mucho más dopado que el colector.

Figura 3.1. Corte transversal simplificado de un

transistor de unión bipolar NPN. Donde se puede

apreciar como la unión base-colector es mucho

más amplia que la base-emisor.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Npn_BJT_cross_section.PNG


94

Figura 3.2. Transistores usados en electrónica. Los primeros transistores

fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están

compuestos de silicio.

Figura 3.4. Estructura de un transistor NPN


95

Figura 3.5. Transistor NPN y PNP y sus símbolos. El símbolo de un transistor

NPN, 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.

El funcionamiento de un transistor PNP es análogo al funcionamiento del

transistor NPN, por lo que solo estudiaremos este último transistor.

Si el transistor no está polarizado, es decir no está conectado a ningún voltaje

externo, se comporta como dos diodos en contraposición por donde no circula

corriente eléctrica. Para que haya circulación debe ser polarizado y, según sea

la polarización, podría funcionar en tres zonas: activa, corte y saturación.

Zonas de Trabajo de un Transistor

Transistor en zona activa. En este caso la unión emisor-base se polariza en

directa y la unión base-colector en inversa. Esta configuración es utilizada para

amplificar señales. Los electrones fluyen del emisor al colector, siendo la base

la que controla el flujo de electrones.

𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵

En este caso 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶 y 𝐼𝐵 ≈ 0. Las tres intensidades se relacionan mediante

los parámetros alfa y beta . Al parámetro beta también se le llama hFE

𝛼 =𝐼𝐶𝐼𝐸

; 0,95 < 𝛼 < 1

𝛽 =𝐼𝐶𝐼𝐵

; 100 < 𝛽 < 300


96

La relación entre ambos parámetros es:

𝛼 =𝛽

1+𝛽 𝛽 =

𝛼

1+𝛼

En el siguiente circuito se muestra a un transistor en zona activa, se ha

colocado dos resistencias que tienen como misión limitar la cantidad de

corriente que circula por la base y el colector, y que se llaman resistencia

de base (RB) y resistencia de carga (RC).

En esta zona, conforme RB disminuye, IB aumenta y

permite pasar corriente entre colector y emisor. La

relación que existe entre la intensidad del colector y la

intensidad de la base es: IC = β IB,

β: ganancia de corriente, su valor está comprendido

entre 100 y 300

Transistor en zona de corte. En esta zona, se

trata de un caso extremo, cuando RB es muy

grande y IB = 0, entonces el transistor no deja

pasar corriente entre el colector y el emisor.

Transistor en zona de saturación. En esta zona si aumentamos

progresivamente el valor de intensidad en la base, llega un momento en el

que la intensidad del colector no sigue aumentando. El transistor se

comporta entonces como un interruptor cerrado.


97

Configuraciones del transistor

Amplificador Base Común

Amplificador Colector Común

Amplificador Emisor Común

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR

Las curvas características de un transistor son unas gráficas que

representan el comportamiento del transistor para diferentes valores de

voltaje e intensidad de corriente.

http://3.bp.blogspot.com/_cMgHiJOOzFE/TMp4NWYvegI/AAAAAAAAADQ/S_wWABRdon8/s1600/conf_base_comun.jpg

http://2.bp.blogspot.com/_cMgHiJOOzFE/TMsZl_ZLNuI/AAAAAAAAADY/rgMeo21yWh4/s1600/conf_emisor_comun.jpg

http://4.bp.blogspot.com/_cMgHiJOOzFE/TMsY9S0jGaI/AAAAAAAAADU/ygINYZS_32c/s1600/conf_colector_comun.jpg


98

Curva Característica de Entrada

Relaciona dos cantidades de entrada con una de salida del transistor. Así por

ejemplo, en la configuración de emisor común se

puede relacionar la intensidad de la base (IB) con el voltaje

base-emisor (VBE). Para diferentes valores del voltaje

colector-emisor (VCE), ver Figura 3.6.

Curva Característica De Salida

Relaciona dos cantidades de salida con una de entrada del transistor. Así por

ejemplo, en la configuración de emisor común se puede relacionar IB de entrada

cono IC y VCE de salida, en base común se relaciona la magnitud IE de entrada

con IC y VCB; y en colector común IB con IC y VCE. A través de estas curvas se

pueden deducir las condiciones de trabajo y funcionamiento de un transistor.

Figura 3.6. Curva característica de entrada y curva característica de salida para

la configuración de emisor común.


99

TEMA 4

Competencia:

Reconoce y describe los transistores de campo JFET y MOSFET.

Transistores

Unipolares



100

Tema 04: Transistores Unipolares

A diferencia de los transistores bipolares, que están basados en el movimiento de dos

portadores de carga (electrones y huecos), en los transistores unipolares el movimiento

solo lo realiza uno de los portadores de carga (electrones o huecos). Se utilizan para

amplificar señales en las cuales se desean niveles de ruido bajos y la resistencia de

entrada es elevada.

Se dividen en JFET o FET y MOSFET y son controlados por voltajes

Transistor de Unión Efecto de Campo (Jfet O Fet)

El JFET (“Junction Field-Effect Transistor”), es un semiconductor tipo N (también

puede ser tipo P) con material tipo P difundido en él (o tipo N según sea). Se dividen

en transistores de canal N y transistores de canal P.

Tiene tres terminales que se denominan drenaje (D) y fuente (F o S), que son los que

están unidos al sustrato base (semiconductor tipo N o P). El otro terminal es la puerta

(G) que corresponde a semiconductores tipo P o N según sea, ver figura 4.1.

Figura 4.1. Transistor JFET de canal P


101

El JFET es un dispositivo que, según los valores de voltaje de entrada, reacciona dando

unos valores voltaje de salida. El voltaje de entrada se aplica entre los terminales S

(fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva

característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas:

corte, óhmica y saturación.

Figura 4.2. Esquema de un JFET de canal N y canal P, junto con sus respectivos

símbolos

Físicamente, un JFET de canal P está formado por una pastilla de semiconductor tipo P

en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida D (drenaje) y S (fuente) flanqueada

por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales

conectados entre sí G (puerta). Al aplicar una tensión positiva VGS entre puerta y fuente,

las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones

(corriente ID) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa

un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso

de electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de

VGS se le denomina Vp. Para un JFET "canal N" las zonas P y N se invierten, y los

valores VGS y Vp son negativas, cortándose la corriente para tensiones menores que Vp.


102

Figura 4.3. Esquema de un JFET de canal N, cuando alcanza su punto de corte.

Transistor de Efecto Campo Metal-Oxido (Mosfet)

Son los FET anteriores pero con aislante de óxido entre la puerta y el canal. Se

dividen en:

MOSFET de empobrecimiento, Apenas se utiliza, pero dio paso al de

enriquecimiento, el cual tiene grandes aplicaciones en electrónica. Se divide a su vez

en MOPSFET de empobrecimiento de canal N y de canal P.

Figura 4.4. Esquema de un MOSFET de canal N


103

MOSFET de enriquecimiento. Tiene múltiples aplicaciones. Se divide en

MOSFET de enriquecimiento de canal N o de canal P

Figura 4.5. Símbolos del MOSFET


104

Los transistores JFET y MOSFET tiene aplicaciones en la amplificación de señales, es

decir la señal de entrada al circuito es amplificada

Figura 4.6. Circuito

amplificador usando un

transistor JFET de canal N

Figura 4.7. Circuito

amplificador usando un

transistor MOSFET de canal N

Circuito Amplificador

.


105


VÍDEO: “CIRCUITO RECTIFICADOR” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=9Etu8JT8D30

http://www.youtube.com/watch?v=_DS2TabeomE

VÍDEO: “TRANSISTOR” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=NLL8iB3rIZc

http://www.youtube.com/watch?v=v7J_snw0Eng

5. ACTIVIDADES Y EJERCICIOS

1. Ingresa al siguiente link: “DIODO” lee atentamente

las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el

mismo medio:

Visita en el Internet algunas compañías que vendan

dispositivos electrónicos. Busca información de la ficha

técnica de cinco diodos diferentes. Elabora una presentación en power point donde

muestres la característica de cada diodo.

Algunas páginas que puedes visitar:

http://www.circuitosimpresos.org/2008/06/02/diodos/

http://www.microelectronicash.com/

http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp

http://www.neoteo.com/midiendo-diodos-y-transistores-15335

Publica tu presentación en:

www.slideshare.net

Luego, envía la dirección de tu publicación a tu tutor.


http://www.youtube.com/watch?v=_DS2TabeomE

http://www.circuitosimpresos.org/2008/06/02/diodos/





106

2. Ingresa al siguiente link: “TRANSISTORES” lee atentamente las indicaciones,


Visita en el Internet algunas compañías que vendan dispositivos electrónicos. Busca

información de la ficha técnica de cinco transistores diferentes, incluye uno JFET y

un MOSFET. Elabora una presentación en Power Point donde muestres la

característica de cada diodo.

Algunas páginas que puedes visitar


http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp


Publica tu presentación en:

www.slideshare.net

Luego, envía la dirección de tu publicación a tu profesor

3. Ingresa al link “CIRCUITO RECTIFICADOR” lee atentamente las indicaciones,


Indaga en la web sobre el circuito rectificador de media onda. En Ms Word describe

cada uno de los pasos de cómo un voltaje alterno se convierte en un voltaje continuo.

4. Ingresa al link “CIRCUITO AMPLIFICADOR” lee atentamente las indicaciones,


Indaga en la web sobre un circuito amplificador. En Ms Word describe cada uno de los

pasos de cómo una señal es amplificado.





107

Autoevaluación

1) El diodo usado para regular voltaje debido a que soporta altos voltajes es el:

a. diodo avalancha

b. diodo tunel

c. fotodiodo

d. diodo zener

e. diodo laser

2) El diodo usado en el control remoto es un:

a. fotodiodo

b. LED

c. diodo de avalancha

d. un diodo zener

e. un diodo tunel

3) Un diodo zener tiene un voltaje de ruptura de 10V, si se conecta a un foquito de

2Ω y luego se conecta en inversa a una batería de 8V. La intensidad de corriente

que circula por el foquito es:

a. 0A

b. 1A

c. 10A

d. 100 mA

e. 200 mA

4) El nombre del circuito que transforma el voltaje alterno en voltaje continuo es:

a. transformador

b. amplificador

c. regulador

d. rectificador

e. filtrador

5) Marque la alternativa que corresponda verdadera (v) o falsa (f) con respecto a las

siguientes afirmaciones

I. El circuito rectificador con filtro utiliza un condensador.

II. El voltaje eficaz es menor que el voltaje máximo.

III. En el proceso de rectificar el voltaje de entrada, los semiciclos negativos se

convierten en positivos.


108

a. VVF

b. VFF

c. FFF

d. VVV

e. FVF

6) Marque la alternativa INCORRECTA

a. Los transistores utilizan más de dos uniones PN

b. Un transistor tiene tres electrodos llamados base, colector y emisor

c. En un transistor NPN la base semiconductora es tipo N

d. En un transistor PNP la base semiconductora es tipo P

e. Los transistores son elementos en transición

7) Marque la alternativa que corresponda Verdadera (v) o falsa (f) a las siguientes

afirmaciones

I. En la zona de corte un transistor actúa como un interruptor abierto

II. En la zona de saturación un transistor actúa como un interruptor abierto

III. La intensidad de corriente en la base es nula, cuando un transistor está en la

zona activa.

a. VVF

b. VFF

c. FFF

d. VVV

e. FVF

8) Con respecto las curvas características de un transistor (Figura 3.6) en la

configuración de emisor- común es CORRECTO afirmar:

a. Para un voltaje colector y el emisor (VCE) constante, la corriente en la base (IB)

aumenta conforme aumenta el voltaje entre la base y el emisor (VBE).

b. Para un voltaje colector-emisor (VCE) constante, la corriente en la base (IB)

aumenta lentamente para valores pequeños en el voltaje base-emisor (VBE).

c. Conforme la corriente en la base (IB) aumenta, la corriente en el colector (IC)

aumenta, para un voltaje determinado entre el colector-emisor (VCE).

d. Para una corriente en la base es igual a cero (IB=0), la corriente en el colector

(IC) aumenta levemente conforme aumenta el voltaje entre el colector y el

emisor (VCE).


109

e. Para un voltaje determinado entre el colector-emisor (VCE), cuando la corriente

en la base (IB) aumenta, la corriente en el colector (IC) disminuye.

9) De los siguientes dispositivos cuál no es un transistor de efecto campo

a. JET

b. JFET

c. MOSFET canal N

d. MOSFET canal P

e. Zener

10) Marque la alternativa que corresponda, verdadera (v) o falsa (f) a las siguientes

afirmaciones

I. Los transistores JFET y MOSFET son usados en circuitos amplificadores.

II. En un circuito amplificador la señal sale con una menor amplitud

III. Los electrodos de un transistor JFET son emisor, colector y base

a. VVF

b. VFF

c. FFF

d. VVV

e. FVF


110

Resumen Resumen

UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIIIII::

El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus

terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

El diodo es el dispositivo semiconductor más simple está hecho por la unión de un material

semiconductor de tipo N y otro de tipo P. Hay diodos construidos de otros materiales.El

Diodo avalancha está diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa, cuando

alcanza el voltaje de ruptura, los electrones se aceleran y se produce una avalancha cuyo

efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenas incrementar el voltaje.

Diodo Zener, este diodo está diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa,

cuando alcanza el voltaje de ruptura, el voltaje en el diodo permanece constante y el diodo

no se destruye.

Fotodiodos es un diodo diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa.

Cuando incide luz visible o infrarroja sobre este se produce una corriente.

Diodo LED es un emisor de luz, diseñado para trabajar en polarización directa. Cuando los

electrones se recombinan con los huecos liberan energía en forma de luz. El diodo laser es

también un emisor de luz láser similar a los diodos LED.El circuito rectificador de onda

completa permite convertir una señal eléctrica alterna en una continua. Este proceso se

realiza utilizando diodos rectificadores.

El circuito rectificador de onda completa con filtro RC posee un filtro y elimina los pulsos del

voltaje alterno consiguiéndose una voltaje de salida casi continua.

Un transistor es un dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una

corriente grande mediante una señal muy pequeña, es un componente que tiene,

básicamente dos funciones: Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña

señal de mando, funciona como elemento amplificador de señales.

Transistor bipolar es la Unión bipolar de dos Uniones P-N en un solo cristal semiconductor.

Esta unión bipolar puede ser NPN o PNP. En un transistor el semiconductor intermedio es

conocido como Base los otros dos como Emisor y Colector.

El Transistor unipolar JFET está formado por una pastilla de semiconductor tipo P (o N) en

cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida D (drenaje) y S (fuente) flanqueada por dos

regiones con dopaje de tipo N (o P) en las que se conectan dos terminales conectados

entre sí G (puerta). Este transistor proporciona voltajes de salida en función al voltaje de

entrada, por lo que es usado en amplificación de señales eléctricas. Los transistores JFET y

MOSFET tienen aplicaciones en la amplificación de señales, es decir señal de entrada al

circuito es amplificada.


111


112

Introducción

a) Presentación y contextualización

El desarrollo de la mecánica cuántica en la ciencia de los materiales ha permitido

descubrir y conocer con mayor profundidad los principios físicos de la mecánica de

las partículas, átomos y moléculas, lo que ha promovido el desarrollo de la

microelectrónica a dimensiones tan pequeñas, y cuyos resultados se traducen en

dispositivos electrónicos cada vez más pequeños. Por otro lado, el desarrollo de la

optoelectrónica a partir de las fibras ópticas, de las pantallas LCD y las pantallas de

plasma, han promovido el desarrollo de la telecomunicación y de la calidad de las

imágenes que observamos. En esta Unidad daremos un vistazo de los principales

dispositivos utilizados en la actualidad.

b) Competencia

Indaga sobre los avances en los dispositivos electrónicos y los fundamentos

físicos de estos.

c) Capacidades

1. Reconoce las propiedades de los cristales líquidos y su aplicación en pantallas

LCD.

2. Identifica y describe los circuitos integrados en circuitos electrónicos.

3. Analiza y define la propagación de las ondas electromagnéticas en fibras

ópticas.

4. Analiza y define sobre la nanotecnología aplicada a la electrónica.

d) Actitudes Valora el estudio de los sólidos como la base para crear nuevas tecnologías en

los componentes electrónicos.

Muestra rigurosidad para representar relaciones, plantear argumentos y

comunicar resultados

e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 4: Dispositivos Actuales comprende el desarrollo de los siguientes temas:

Tema 01: Cristal líquido Tema 02: Circuitos integrados Tema 03: Fibra óptica Tema 04: Nanotecnología


113

TEMA 1

Competencia:

Reconoce las propiedades de los cristales líquidos y su aplicación en pantallas LCD.

Cristal Líquido



114


“La sustancia tiene dos puntos de fusión, si se pueden describir de esa

forma. A 145.5ªC se funde en un fluido neblinoso pero perfectamente

líquido, el cual a 178.5ºC se vuelve bruscamente claro

Tema 01: Cristal Líquido

El Cristal Líquido

En 1888, el botánico y químico austriaco Friedrich Reinitzer hizo un

descubrimiento interesante sobre las fases intermedias entres sólido y líquidos de

algunas sustancias orgánica. Reinitzer notó un comportamiento anómalo del

colesterilbenzoato cuando éste pasaba del estado sólido al líquido. Ese mismo

año le escribió al cristalógrafo Otto Lehmann sobre sus observaciones, aquí la

traducción de un fragmento de su carta:

Tras los posteriores trabajos de Lehmann y otros científicos quedo establecido que

las fases intermedias del colesterilbenzoato y otros compuestos similares

constituyen nuevos estados de la materia entre el estado líquido y el estado

sólido. Lehmann dio el nombre de cristales líquidos (CL) a estas fases, debido a

que en su aspecto externo tienen muchas de las propiedades de los líquidos como

la fluidez, mientras que estructuralmente poseen parte de la ordenación que

caracteriza los sólidos cristalinos. Aunque este es el nombre con el que se han

popularizado, técnicamente se denominan de estados mesomórficos o

mesofases,


115

Fases Mesomórficas

La mayoría de los materiales que pasan por fases meso mórficas están

compuestos por moléculas orgánicas alargadas que se pueden clasificar en tres

fases diferentes, dependiendo del tipo de ordenación molecular que presenten:

Figura 1: Esquema de la orientación de las moléculas en los diferentes tipos de

cristal líquido: (a) nemático, (b) colestérico y (c) esméctico

Nemáticos

Los ejes principales, que marcan la orientación del eje largo de las moléculas,

tienen todos la misma dirección, aunque los centros estén distribuidos

aleatoriamente, es decir hay un orden orientacional pero no translacional, ya que

las posiciones relativas no están predeterminadas, ver Figura 1a. Este tipo de

cristal es el más utilizado comercialmente por su menor viscosidad, que es la

responsable directa de la lentitud en el tiempo de respuesta.

Figura 2. Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase nemática


116

Figura 3. Moléculas orgánicas que dan lugar a una fase nemática: (a) El p-

azonanisol (PAA) esta es similar a un cilindrito de longitud 20°A y un ancho de 5°A,

esta fase nemática es obtenida a altas temperaturas comprendidas entre 1160 ºC y

1350 ºC a la presión atmosférica. (b) El p-metozibencilideno p-n-butilanilina

(MBBA), es obtenido a temperaturas comprendidas entre 20 ºC y 47 ºC. (c) El 4-

pentyl-4’-cyanobiphenyl (5CB), es obtenido a temperaturas comprendidas entre 24

ºC y 35 ºC.

Colestéricos

En esta fase se presenta una ordenación molecular en una dirección como los

nemáticos, pero las moléculas son ópticamente activas, lo que hace que

presenten una estructura helicoidal espontanea con un gran poder rotatorio de la

luz. Las moléculas se orientan en direcciones diferentes en cada capa y, por

tanto, el vector director gira a lo largo de las distintas capas, ver Figura 1b. Este

tipo de cristal se emplea principalmente en las pantallas de termómetros en forma

de lámina.

Figura 4: Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase colestérica


117

Esmécticos

En esta fase se presenta una ordenación orientacional y posicional, las moléculas

agrupan en capas ordenadas entre ellas, pero en cada capa los centros se

distribuyen aleatoriamente, ver Figura 1c. Mientras que las fases nemática y

colestérica son únicas, se conocen hasta diez tipos diferentes de fases esmécticas.

El cristal puede cambiar de fase esméctica con la temperatura. Debido a su

viscosidad las aplicaciones propuestas han sido escasas, excepto en el caso de los

cristales ferroeléctricos (FLC, “ferroelectric liquid cristal”).

Figura 4: Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase esméctica

Los cristales líquidos son muy sensibles a la temperatura, el orden molecular

se altera cuando la temperatura cambia y las propiedades ópticas del material

se modifican y se producen fenómenos como la iridiscencia, como se observa

en figura.


118

Figura 5. En el cristal líquido más simple, un eje tiende a apuntar a lo

largo de la dirección sobre las que las moléculas tienden a alinearse. Esta

dirección preferencial es llamada el eje director, el cual es indicado con

el vector unitario n.

El eje director

Las moléculas del cristal líquido tienden a orientarse aletargo del eje director y

debido a esto es que adquieren propiedades ópticas. La peculiaridad de los

materiales con ejes ópticos consiste en que ellos dirigen los rayos luminosos,

cambiando su intensidad, color y dirección. La velocidad de la luz dentro del

material depende de su propagación con respecto al eje óptico.

En ocasiones un cristal líquido puede no tener un eje óptico, sin embargo puede

adquirirlo como resultado de acciones mecánicas, eléctricas, etc. Resulta que en

cristales líquidos se presenta con mayor facilidad este fenómeno ya que en ellos

es más fácil variar la orientación de sus moléculas.


119

Pantallas de Cristal Líquido Nemático

Las pantallas de cristal líquido están formadas por celdas de cristal líquido de tipo

nemático con giro (TNLC, “twisted nematic liquid cristal”), confinada entre dos

capas de vidrio.

Detalle de una pantalla LCD en color

Celda TNLC sin voltaje aplicado

En una celda TNLC, podemos imaginarnos la capa de cristal líquido formada por

múltiples capas, en las cuales las moléculas no se encuentran todas orientadas en

un eje común, sino que giran desde un eje a la entrada hasta otro a la salida,

como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Esquema del giro de las moléculas en una pantalla LCD


120

Celda TNLC con voltaje aplicado

Al aplicar un campo eléctrico en la dirección del eje +z, las moléculas se inclinan y

tienden a alinearse en la dirección del campo eléctrico, el cual modifica las

propiedades ópticas del cristal líquido, como la polarización de la luz.

Las variaciones de las propiedades ópticas del cristal líquido pueden entonces ser

controladas a partir del voltaje aplicado entre las celdas.

La Luz es una Onda Electromagnética

La luz como onda electromagnética está formada por un campo eléctrico y otro

magnético, perpendiculares entre sí que oscilan en el tiempo y que se propaga

en el espacio.

La dirección del campo eléctrico determina la dirección de polarización de una

onda electromagnética. Por lo general la luz emitida por una lámpara, hace que

el campo eléctrico está distribuido al azar en cualquier dirección, y se dice que la

luz no está polarizada.

Figura 7. El campo eléctrico (E) modifica la orientación

de las moléculas, modificando la polarización de la luz

que atraviesa el cristal líquido.


121

Celda TNLC con dos polarizadores

Ahora que sabemos cómo la acción de un campo eléctrico modifica la dirección de

las moléculas y en consecuencia la dirección de polarización de la luz. Si se

colocan dos polarizadores uno a la entrada y otro a la salida, que denominaremos

analizador, se puede modificar la intensidad luminosa de la pantalla LCD,

produciendo niveles de grises diferentes. Figura 8

Figura 8. Esquema de una celda colocada entre el polarizador y el analizador

El Polarizador

La dirección de polarización de la luz está dada por la dirección del campo

eléctrico. La luz emitida normalmente por una fuente no está polarizada, es decir,

el campo eléctrico de cada onda está distribuido al azar en cualquier dirección, al

pasar por un polarizador la luz es filtrada y solo pasan las ondas con un campo

en una determinada dirección.


122

En una pantalla LCD, las imágenes se forman cuando cada pixel o celda se

ilumina con diferente intensidad de luz. Es por eso que las pantallas LCD

requieren de una fuente de luz blanca que atraviesen los polarizadores, luego una

variación en el voltaje del cristal modifica la polarización de la luz y en

consecuencia la intensidad luminosa, un filtro con los colores RGB (Red = rojo,

Green = verde, Blue = azul) muestra una pantalla con imágenes a colores.

Figura 9. El campo eléctrico en el cristal líquido modifica las propiedades ópticas del

cristal pudiendo controlar la intensidad de la luz en la pantalla LCD

Figura 10. Esquema del funcionamiento de una pantalla LCD


123

TEMA 2 Circuitos

Integrados

Competencia:

Identifica y describe los circuitos integrados en circuitos electrónicos.



124

Tema 02: Circuitos Integrados

Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una

pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de

área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante

fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o

cerámica.

El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer

conexión entre la pastilla y un circuito impreso.

Figura 1. Un circuito integrado contiene, resistores, condensadores, transistores,

etc. conectados que conforman un circuito complejo.


125

Tipos de Circuitos Integrados

Existen tres tipos de circuitos integrados:

Circuitos monolíticos: están fabricados en un solo mono cristal, habitualmente

de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio,

etc.

Figura 2. Circuito monolítico inventado por Jack Kilby en 1959

ganadores del premio Nobel de Física.

Circuitos híbridos de capa fina: son muy similares a los circuitos monolíticos,

pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología

monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en

tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar

resistores precisos.

Circuitos híbridos de capa gruesa: se apartan bastante de los circuitos

monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula,

transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectado con pistas

conductoras.

Los resistores se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con

láser. Todo ello se encapsula, en cápsulas plásticas o metálicas, dependiendo

de la disipación de energía calórica requerida. En muchos casos, la cápsula no

está "moldeada", sino que simplemente se cubre el circuito con una resina

epoxi para protegerlo. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para

aplicaciones en módulos de radio frecuencia (RF), fuentes de alimentación,

circuitos de encendido para automóvil, etc.


126

Clasificación

Atendiendo al nivel de integración -número de componentes- los circuitos

integrados se pueden clasificar en:

SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: de 10 a 100 transistores

MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1.000 transistores

LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000 transistores

VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10.001 a 100.000 transistores

ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a 1.000.000

transistores

GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: más de un millón de

transistores

Disipación de Potencia

Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes

integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de

esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el

comportamiento del dispositivo el cual puede llegar a destruirlo.

Los amplificadores de audio y los reguladores de tensión son proclives a este

fenómeno, por lo que suelen incorporar protecciones térmicas.

Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más energía deben disipar.

Para ello, su cápsula contiene partes metálicas, en contacto con la parte inferior

del chip, que sirven de conducto térmico para transferir el calor del chip al

disipador o al ambiente.

Figura 3. Disipador de calor hecho

de aluminio sobre un

microprocesador de computadora.


127

Figura 4. El microprocesador, o simplemente procesador, es el circuito integrado

central más complejo de una computadora. El procesador es un circuito integrado

constituido por millones de componentes electrónicos integrados.

El Circuito Integrado 555

Este circuito integrado (C.I.) está compuesto por 23 transistores, 2 diodos y 16

resistores encapsulados en silicio. Este circuito es utilizado como un generador

de pulsos, y la frecuencia de éstos puede variar de 1 pulso por segundo hasta 1

millón de pulsos por segundo.

Figura 5. Circuito integrado NE555, está compuesto de muchos dispositivos

semiconductores

Para ver el efecto del circuito integrado se le conecta un LED y un resistor R3,

conectado al pin 3 del 555 (IC1), que justamente es el pin de salida.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/Signetics_NE555N.JPG

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/555.JPG

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/AMD_X2_3600.jpg


128

Observa la polaridad de la fuente respecto al LED..., te habrás dado cuenta que

la única forma de encenderlo es que el pin 3 de IC1 sea negativo. Y lo será...,

observa la onda rectangular de los pulsos de salida..., cuando esté arriba será

(+) o 1, y el LED estará apagado. Cuando esté abajo será (-) o 0, entonces el

LED se encenderá.

¡Según la señal de salida el LED encenderá de forma alternada¡

Veamos los otros componentes; R1, R2 Y C1 forman una red de tiempo. El

capacitor C1 se cargará a través de R1 y R2, del otro lado el 555 espera

impaciente que termine de hacerlo, y cuando lo logre lo reflejará en su terminal

de salida (pin 3), y he aquí el pulso que produce la descarga del capacitor. Ahora

sí..., ya estamos listos para la siguiente carga que generará el segundo pulso.


129

TEMA 3

Competencia:

Analiza y define la propagación de las ondas electromagnéticas en fibras ópticas.

Fibra

Óptica



130

Tema 03: Fibra Óptica

La fibra óptica es una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente

con un índice de refracción alto, de modo que produzca una desviación muy grande

de la luz. Está constituida de material dieléctrico (material que no tiene conductividad

como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy

pocas pérdidas incluso cuando esté curvada.

Está formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (se construye

de elevadísima pureza con el propósito de obtener una mínima atenuación) y el

exterior llamado revestimiento que cubre el contorno (se construye con requisitos

menos rigurosos), ambos tienen diferente índice de refracción.

El diámetro exterior del revestimiento es de 0,1 mm aproximadamente y el

diámetro del núcleo que transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros.

Adicionalmente incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamado

recubrimiento.


131

El Índice de Refracción (N)

El índice de refracción es una medida de la densidad óptica de un material

traslucido, cuanto mayor es el índice de refracción mayor es la desviación de los

rayos de luz cuando pasa de un medió a otro. Cuando la luz pasa del aíre a otro

medio, el índice de refracción se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el

vacío, c = 300 000 km/s entre la velocidad de la luz en el medio (v).

𝒏 =𝒄

𝒗

Índices de refracción de varios materiales se indican en la siguiente tabla.

MEDIO INDICE DE

REFRACCION

Vacío 1,0

Aire 1,0003

Agua 1,33

Alcohol etílico 1,36

Cuarzo fundido 1,46

Fibra de vidrio 1,5-1,9

Diamante 2,00-2,42

Silicio 3,4

Galio Arsenuro 3,6

El ángulo de refracción θ2 del rayo

refractado y el ángulo de incidencia

del rayo incidente θ1, ambos

medidos con respecto a la normal,

están relacionados por la ecuación

de Snell.

n2 sen θ2 = n1sen θ1


132

Propagación de la luz en una fibra óptica

La propagación se realiza cuando un rayo de luz ingresa al núcleo de la fibra

óptica y dentro de él se producen sucesivas reflexiones en la superficie de

separación núcleo – revestimiento.

La Reflexión Total Interna

Cuando la luz pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro de menor

índice de refracción, como ocurre entre el núcleo y el revestimiento de una fibra

óptica, se produce una reflexión total interna a partir de cierto ángulo crítico.

Reflexión total interna producida cuando la luz pasa de un

medio de mayor índice de refracción a otro de menor índice.

Para calcular el ángulo crítico en el cual ocurre reflexión total interna, en la ecuación

de Snell θ2 = 90º y θ1 = θc, entonces:

𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝒏𝟐

𝒏𝟏)


133

Clasificación de Las Fibras Ópticas

Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las telecomunicaciones se

clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación: Fibras

Multimodo y Fibras Monomodo.

Fibra Multimodo

Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más

de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra

multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras

multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1

km; es simple de diseñar y económico. El núcleo de una fibra multimodo tiene un

índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el

revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más

fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

EJE

MP

LO

1

El índice de refracción del núcleo de fibra óptica es 1,62 y el índice de

refracción del revestimiento es de 1,52. Determinar el ángulo crítico del rayo

de luz entre el núcleo y el revestimiento

Resolución

1. Calculamos el ángulo crítico:

𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝒏𝟐

𝒏𝟏)

2. En la fibra óptica el rayo proviene del núcleo (n1 = 1,62) e incide sobre el

revestimiento (n2 = 1,52):

𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝟏, 𝟓𝟐

𝟏, 𝟔𝟐) = 𝟔𝟗, 𝟖 𝒐

Hazlo tú

Usando la ecuación de Snell, demuestra que si un rayo de luz que proviene

del aire (n = 1) incide sobre el núcleo de la fibra óptica con, 60 𝑜este se

refracta con un ángulo de 32,3 𝑜.


134

Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos

tipos de fibra multimodo:

Fibra de salto de índice o escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo

tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene

alta dispersión modal.

Fibra a gradiente de índice o de índice gradual: mientras en este tipo,

el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el

núcleo se constituye de distintos materiales.

Fibra Monomodo

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de

luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a

10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es

paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras

monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo,

mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información

(decenas de Gb/s).


135

TEMA 4

Competencia:

Analiza y define sobre la nanotecnología aplicada a la electrónica.

Nanotecnología



136

Tema 04: La Nanotecnología

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, y manipulación

de estructuras químicas y biológicas con dimensiones en el intervalo entre 1 y

100 nm. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos

y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas.

«Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro»

Nanopartículas Semiconductoras

Una nanopartícula tiene el tamaño de algunos nanómetros, y sus

propiedades tanto físicas como químicas son diferentes a las que presenta

el material en la escala de los centímetros.

Imágenes de nanopartículas de silicio poroso nano

estructurados con diámetros promedios de: (a) 20nm, (b)

45nm, and (c) 80nm. SEM

http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscopy


137

Existen diferentes tipos de nano partículas, en las cuales es posible

distinguir el carácter organizacional de la materia:

Semiconductoras. Las partículas semiconductoras se fabrican a partir

de la combinación de un precursor metálico con elementos

pertenecientes a la familia del oxígeno. En general, como en el caso de

los semiconductores comunes, las nano partículas se forman de la

mezcla de los elementos de la tabla periódica del grupo III con el grupo

V, por ejemplo: fosfuro y arsenuro de indio; o de la composición de los

grupos IV y VI, como son el selenuro, teluro y sulfuro de plomo.

Una propiedad interesante de las nanopartículas semiconductoras es la

fotoluminiscencia, capaz de absorber luz (fotones) para después

emitirla en una longitud de onda diferente. Esta propiedad se obtiene

cuando las nanopartículas son expuestas a la luz ultravioleta. La

intensidad y el cambio en la longitud de onda de la luz irradiada sobre

la partícula dan como resultado los espectros de absorción y emisión

que constituyen una manifestación directa de los niveles de energía en

los cuales los electrones se encuentran atrapados.

Entre más pequeñas sean las nanopartículas, se necesitará una

energía más alta para que una transición electrónica se lleve a cabo

(absorción). El regreso del electrón a su orbital producirá la emisión de

un fotón con energía dentro del intervalo de luz visible, por lo que las

soluciones irradiadas presentan diferentes colores muy intensos, lo que

las hace útiles en el marcaje y detección biológica. Así, las

nanopartículas de sulfuro de cadmio emiten en azul cuando son

cercanas a dos nanómetros, y en naranja cuando son

mayores a 5 nm.


138

Nanoelectrónica: La nanoelectrónica es el uso de la

nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente en

transistores, basado en principios de la mecánica cuántica.

Nanocables

Los nanocables podemos definirlos como estructuras moleculares con

propiedades eléctricas u ópticas. Son uno de los componentes clave

para la creación de chips.

Electrónicos moleculares. Fáciles de producir, estos pueden ser

juntados a modo de rejilla y llegan a constituir la base para los circuitos

lógicos a nanoescala.

Los nanocables pueden tener varias formas y otras muchas

aplicaciones.

Los nanocables tienen propiedades eléctricas y ópticas únicas. Su

principal uso es en la creación de dispositivos manométricos, entre los

que podrían estar las células solares.

Nanocircuitos

Los "nanocircuitos" son circuitos electrónicos compuestos básicamente

por transistores, cables e interruptores, pero fabricados en unas

dimensiones extremadamente miniaturizadas.

http://www.sciencedaily.com/images/2010/11/101110101319.jpg


139

Circuitos de radiofrecuencia (RFID) impresas mediante la utilización de

tintas que contienen nanotubos.

El fullereno

Los fullerenos son la tercera forma más estable

del carbono, tras el diamante y el grafito. Su

estructura atómica se presenta en forma de

esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos

esféricos reciben a menudo el nombre de

buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o

nanotubos.

Esquema experimental y ejemplo de la técnica de nanolitografía en

materiales a temperatura ambiente

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Diamante

http://es.wikipedia.org/wiki/Grafito

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfera

http://es.wikipedia.org/wiki/Elipsoide

http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(geometr%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Nanotubo


140

Figura. Fullerenos

cilíndricos o nanotubos

Figura. El fullereno más conocido es el

buckminsterfullereno. Se trata de un

fullereno formado por 60 átomos de

carbono (C60), cuya estructura es la de

una figura geométrica truncada y está

constituido por 20 hexágonos y 12

pentágonos, con un átomo de carbono en

cada una de las esquinas de los

hexágonos y un enlace a lo largo de cada

arista.

Futuras Aplicaciones De La Nanotecnología

Los campos que están experimentando continuos avances son:

Energías alternativas, energía del hidrógeno, pilas (células) de combustible, dispositivos de ahorro energético.

Administración de medicamentos, especialmente para combatir el

cáncer y otras enfermedades.

Computación cuántica, semiconductores, nuevos chips.

Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria militar.

Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes, materiales, automóviles, cosméticos, pinturas, construcción, alimentos envasados, pantallas planas...

Contaminación medioambiental. Prestaciones aeroespaciales: nuevos materiales, etc.

Fabricación molecular.


141


VÍDEO: “NANOTECNOLOGÍA” EN:

http://www.youtube.com/watch?v=TY2-1cLX8Mc

VÍDEO: “CRISTAL LÍQUIDO” EN:

Fttp://blip.tv/angelr182/videotutorial-7-pantalla-de-cristal-liquido-4363544

LECTURA: “LÍQUIDOS EXÓTICOS” EN:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/liquidos.htm

1. Ingresa al link: “CRISTAL LÍQUIDO” lee atentamente las indicaciones,


Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el

Internet y elabora, en MS Word, un mapa descriptivo de las partes de

una pantalla LCD, describe los principios físicos de cada una de las

partes.

http://www.ibercajalav.net/img/cristalesLiquidos.pdf

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/1

04/htm/sec_6.htm

http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp

2. Ingresa al link: “CIRCUITOS INTEGRADOS” lee atentamente las

indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:


Internet, selecciona un circuito, cualquiera que tenga más de 10

componentes, circuito detector de señales de video, circuitos, circuitos


http://www.youtube.com/watch?v=TY2-1cLX8Mc



http://www.ibercajalav.net/img/cristalesLiquidos.pdf

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/sec_6.htm

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/sec_6.htm

http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp


142

amplificadores, etc. Identifica los componentes electrónicos presentes en el

circuito, a partir de los símbolos mostrados. En MS Word, pega la imagen del

circuito elegido y elabora una tabla que muestre el símbolo y nombre del

componente presente en el circuito.

http://www.pablin.com.ar/

http://www.electronicafacil.net/circuitos/

http://eureka.ya.com/elektron/circuitos.htm

3. Ingresa al link: “FIBRA ÓPTICA” lee atentamente las indicaciones,



Internet y realiza un artículo sobre las fibras ópticas, en el Perú.

http://www.mtc.gob.pe/portal/fibraoptica/index.html

http://elcomercio.pe/ediciononline/html/2007-12-06/alan-garcia-

inaugura-primer-red-fibra-optica-que-unira-al-norte-peru.html

http://www.viatelperu.com/joomla/index.php?option=com_content&v

iew=article&id=59:primer-proyecto-de-fibra-optica-para-region-rural-

peruana&catid=45:informacion-tecnica

http://lamula.pe/2011/02/23/red-de-fibra-optica-para-conectar-el-

peru/jorgebossio

4. Ingresa al link: “NANOTECNOLOGÍA” lee atentamente las

indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:


Internet y realiza una presentación sobre los avances de la

nanoelectrónica.

http://www.nanotecnologica.com/tag/nanoelectronica/

http://www.sinewton.org/numeros/numeros/43-44/Articulo68.pdf

http://www.diarioaz.com.mx/index.php?option=com_content&view=a

rticle&id=8471:impulsan-la-nanoelectronica-

organica&catid=13:eureka&Itemid=19

http://www.pablin.com.ar/

http://www.electronicafacil.net/circuitos/

http://eureka.ya.com/elektron/circuitos.htm

http://www.mtc.gob.pe/portal/fibraoptica/index.html

http://elcomercio.pe/ediciononline/html/2007-12-06/alan-garcia-inaugura-primer-red-fibra-optica-que-unira-al-norte-peru.html

http://elcomercio.pe/ediciononline/html/2007-12-06/alan-garcia-inaugura-primer-red-fibra-optica-que-unira-al-norte-peru.html

http://www.viatelperu.com/joomla/index.php?option=com_content&view=article&id=59:primer-proyecto-de-fibra-optica-para-region-rural-peruana&catid=45:informacion-tecnica



http://lamula.pe/2011/02/23/red-de-fibra-optica-para-conectar-el-peru/jorgebossio

http://lamula.pe/2011/02/23/red-de-fibra-optica-para-conectar-el-peru/jorgebossio

http://www.nanotecnologica.com/tag/nanoelectronica/

http://www.sinewton.org/numeros/numeros/43-44/Articulo68.pdf

http://www.diarioaz.com.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=8471:impulsan-la-nanoelectronica-organica&catid=13:eureka&Itemid=19




143

Autoevaluación

1) Un cristal líquido:

a. Es una fase de la materia muy parecida al vidrio en estado líquido.

b. Es una fase de la materia por el cual atraviesan todos lo sólidos.

c. Es una fase de la materia donde las moléculas presentan

propiedades tanto de los sólidos cristalinos como de los líquidos.

d. Es una fase de la materia en donde le alcanzan algunos líquidos

que tienen sólidos disueltos en este.

e. Es una fase de la materia donde las moléculas presentan

propiedades tanto de los sólidos amorfos como de los líquidos.

2) Indique cuál de las siguientes fases mesomórficas son utilizadas en

pantallas LCD

a. Colestéricos

b. Nemáticos

c. Semilíquido

d. Esméticos

e. Semisolido

3) Marque la alternativa que corresponda según sea verdadera (V) o

Falsa (F)

I. En un cristal líquido las moléculas modifican su orientación en

presencia de un campo eléctrico.

II. La orientación de las moléculas en un cristal líquido determina sus

propiedades ópticas.

III. Las pantallas LCD están compuestas de pequeñas celdas de cristal

líquido, llamadas pixeles.

a. FFF

b. FVF

c. VVV

d. VFV

e. FFV


144

4) Marque la afirmación INCORRECTA

a. Los circuitos integrados tienen una cantidad muy grande de

transistores y diodos.

b. Los circuitos integrados tienden a calentarse y muchos de ellos

necesitan disipadores.

c. El primer circuito integrado fue del tipo monolítico

d. El microprocesador de un computador es un circuito integrado

e. Un circuito integrado no puede tener más de un millón de

transistores

5) Con respecto al circuito integrado 555 es CORRECTO afirmar

a. Es un circuito integrado MSI.

b. Es un circuito compuesto por 12 transistores, 4 diodos y 16

resistores.

c. Es un circuito que puede generar pulsos de hasta un millón de

veces por segundo.

d. Es el circuito integrado que tiene 4 electrodos o "patitas".

e. Es un circuito usado para amplificar una señal.

6) Una fibra óptica es:

a. Una fibra hecha principalmente de dos materiales de índice de

refracción diferentes.

b. Es una fibra conductora usada como cable de corriente eléctrica

de alta precisión.

c. Es una fibra que transporta electrones como señal de información

de un punto a otro

d. Es una fibra metálica muy delgada que puede transportar pulsos

eléctricos de alta frecuencia

e. Es una fibra usada como conductor de corriente en circuitos

integrados, para comunicación WiFi.

7) Cuando la luz se propaga en la fibra óptica ocurre un fenómeno óptico

llamado:

a. Reflexión parcial


145

b. Refracción interna total

c. Reflexión interna total

d. Reflexión multimodal

e. Reflexión selectiva

8) La nanotecnología es la ciencia de materiales con dimensiones de

orden de:

a. Millonésima parte de un milímetro

b. Millonésima parte de un metro

c. Milésima parte de un milímetro

d. Milésima parte del metro

e. La decima parte de un milímetro

9) Con respecto a las nanopartículas semiconductora, indique la

alternativa INCORRECTA

a. Presentan fotoluminiscencia

b. Son partículas del tamaño de de 1 a 80nm

c. Se forman de la mezcla de los elementos de la tabla periódica del

grupo III con el grupo V

d. Presentan propiedades físicas y químicas diferentes en función de

sus dimensiones

e. Se pueden observar con un microscopio óptico.

10) Marque la alternativa que corresponda según sea verdadera (V) o

Falsa (F).

I. Los nanocables tienen propiedades eléctricas y ópticas dependiendo

de cómo se organicen los átomos.

II. El desarrollo de nanocircuitos permite crear circuitos sobre láminas

flexibles.

III. El fullereno es una forma de nanocable, formado por átomos de

carbono que forman una especie de nanotubos.

a. FFF

b. FVF

c. VVV

d. VFV

e. FFV


146

Resumen

UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIVV::

El cristal líquido es un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de la fase líquida y la sólida. Dependiendo del tipo de cristal líquido, es posible, por ejemplo, que las moléculas tengan libertad de movimiento en un plano, pero no entre planos, o que tenga libertad de rotación, pero no de traslación. Cristal líquido fases intermedias entre sólido y líquido de algunas sustancias orgánicas como el colesteril benzoato. Son muy sensibles a la temperatura y al campo eléctrico o magnético aplicado, de modo que las propiedades ópticas del material se modifican y se producen fenómenos como la iridiscencia.

Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. El circuito integrado 555.- Circuito integrado compuesto por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistores. Este circuito es utilizado como un generador de pulsos, y la frecuencia de éstos puede variar de 1 pulso por segundo hasta 1 millón de pulsos por segundo.

La fibra óptica, es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y

manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a

nivel de átomos moléculas (nano materiales). Lo más habitual es que tal

manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Se

tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un

nanobot de unos 50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos -depende de qué esté hecho el nanobot-.

Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto; de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.

http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_agregaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Fotolitograf%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Medio_de_transmisi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_computadoras

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_computadoras

http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulso

http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snell

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

http://es.wikipedia.org/wiki/LED

http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaciones

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciencia_aplicada

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia

http://es.wikipedia.org/wiki/Micr%C3%B3metro_(unidad_de_longitud)

http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula

http://es.wikipedia.org/wiki/Nanomateriales

http://es.wikipedia.org/wiki/Nan%C3%B3metro

http://es.wikipedia.org/wiki/Nanobot

http://es.wikipedia.org/wiki/Nan%C3%B3metros

http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culas

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomos

http://es.wikipedia.org/wiki/Nano_(prefijo)

http://es.wikipedia.org/wiki/Prefijo


147

Glosario

AGOTAMIENTO (ZONA DE): parte del semiconductor, cercano a la juntura

en donde no existen portadores de carga.

ALINEAL: circuito que con un pequeño cambio en la entrada causa un

gran cambio en la salida (los transistores y diodos son alineales) Ver: diodo,

transistor.

AMPERE (AMPERIO): unidad de medición de la corriente eléctrica (A)

1 Amperio = 1 coulombio / segundo = 1C/s.

1 Amperio = 1000 mA.

Ver: corriente eléctrica, corriente alterna, corriente continua

AMPERÍMETRO: instrumento de medición utilizado para medir la corriente

que atraviesa un dispositivo. Este instrumento se coloca en serie con el

dispositivo Ver: medir corriente directa

AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO: circuito basado en el transistor con

ganancia de potencia mayor a 1.

AMPLITUD: valor pico de una onda. En ondas simétricas es el valor de la

mitad del valor pico-pico. Ver: corriente alterna

ÁNODO: electrodo positivo. Ver: diodo

BASE COMÚN: configuración de un amplificador con transistor en que la

entrada es aplicada al emisor y la salida se obtiene en el colector. La

ganancia de voltaje es grande y la ganancia de corriente es

aproximadamente 1.

BETA (Β): relación que hay entre los valores de las corrientes del colector y

la base de un transistor (ganancia). Ver: transistor bipolar

BIPOLAR: transistor que utiliza tantos portadores de carga positiva como

negativa, en la transmisión de la corriente. Ver: transistor bipolar

BOBINA: (inductor) elemento que reacciona contra los cambios en la

corriente a través de él, generando una tensión que se opone a la tensión

aplicada y es proporcional al cambio de la corriente.

BOBINADO: cada uno de los lados de un transformador, realizado con

muchas espiras arrolladas sobre un núcleo magnético. Estos bobinados se

llaman primarios y secundarios, respectivamente.


148

CA (CORRIENTE ALTERNA): corriente eléctrica que cambia su amplitud

en forma periódica con el tiempo. Ver: corriente alterna

CAMPO MAGNÉTICO: distribución de la energía magnética en el espacio,

creado por un imán o por el flujo de una corriente.

CAPACITOR (CONDENSADOR) DE PASO: es un capacitor que tiene por

finalidad mantener la alta ganancia en c.a. y la ganancia en c.c. es reducida

con ayuda de una resistencia de realimentación (Re)

COLECTOR COMÚN: también llamado seguidor emisor. La entrada de

señal se hace en la base y la salida se obtiene en el emisor. Tiene una alta

ganancia de corriente y una ganancia de tensión ligeramente menor a 1.

CORTE: estado en que la tensión base – emisor, en un transistor, no es

suficiente para polarizar el transistor en su unión base-emisor. Como

consecuencia no hay corriente en el emisor del transistor. Se dice que el

transistor no conduce o está abierto.

CORRIENTE: cantidad de carga que circula por un conductor por unidad de

tiempo.

COULOMBIO: unidad de medición de la carga eléctrica. 1 coulombio tiene

una carga de: 6.28 x 1028 electrones.

CURVA CARACTERÍSTICA: cada una de las curvas que describe la

operación de un dispositivo (ejemplo: un transistor) en distintas condiciones

de polarización y carga.

DIGITAL: un sistema en que los caracteres o códigos son utilizados para

representar números o cantidades físicas en forma discretos.

DIPOLO: antena de la mitad de longitud de onda, partida en su punto

central, para conectarse al cable de alimentación.

DISIPADOR DE CALOR: dispositivo metálico utilizado para disipar el calor

generado por componentes electrónicos.

EMISOR COMÚN: configuración de un amplificador a transistor en donde la

entrada de la señal se aplica a la base y la salida se obtiene del colector:

Las ganancias de tensión y corrientes son muy altas, obteniéndose una alta

ganancia de potencia.

FARADIO (F): unidad de capacidad en los condensadores.


149

FET (FIELD EFFECT TRANSISTOR): transistor de efecto de campo en que

el flujo de electrones que circula entre fuente (S) y drenaje (D) es controlado

por una tensión aplicada en la compuerta (G).

FILTRO: circuito selectivo que sólo deja pasar frecuencias determinadas,

bloqueando todas las otras.

FUENTE COMÚN: modo de operación de un FET (transistor de efecto de

campo) en que la entrada es tomada entre compuerta y fuente, y la salida

entre drenaje y fuente. Se obtiene una gran ganancia tanto de tensión cono

de corriente

FUSIBLE: Dispositivo de protección que abre el circuito cuando hay un

consumo de corriente mayor al esperado.

INTRÍNSECO (SEMICONDUCTOR): es en esencia un semiconductor puro,

cuyas propiedades no son determinadas por las impurezas.

KILOHERTZ: [Kilociclo], Khz, mil Hertz, 1 Khz = 1000 Hz. Unidad de

frecuencia.

KILOHM: [Kilohmio], KΩ; mil Ohms, 1 KΩ = 1000 Ω

KILOVOLT: [Kilovoltio], KV, mil voltios. 1 KV = 1000 voltios

KILOWAT: [Kilovatio], KW, mil watts, 1 KW = 1000 vatios

LÁSER: (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Dispositivo que produce un rayo de luz coherente.

LED: Light Emitting Diode. Diodo emisor de Luz

LEY DE OHM: ley que afirma que en un conductor, el cociente entre la

tensión (voltaje) y la intensidad (corriente) es una constante conocida con la

resistencia.

LCD: Liquid Crystal Display. pantalla de cristal líquido. Tecnología que

permite la creación de pantallas planas.

POLARIZACIÓN: uso de fuentes externas de alimentación, para proveer

de energía a un amplificador y establecer sus límites.

POLARIZACIÓN EN DIRECTA: en el diodo es cuando el voltaje en el

ánodo es superior al voltaje del cátodo.

POLARIZACIÓN EN INVERSA: en el diodo es cuando el voltaje en el

cátodo es superior al voltaje en el ánodo.


150

PORTADORES MINORITARIOS: portador que tiene menor presencia en

un área dada en un semiconductor. En áreas tipo N hay huecos y en la

áreas P, electrones.

POTENCIA: la velocidad con la que se consume o suministra energía de

un sistema. Potencia = Energía/tiempo. La unidad de medición de la

potencia es el Watt o Vatio (W)

POTENCIÓMETRO: es un elemento de 3 terminales que funciona como 2

resistencias variables, pero la suma de ellas siempre permanece constante.

PUNTO DE OPERACIÓN: conjunto de condiciones de polarización de un

transistor. Suele ser dada con dos tensiones. El caso de transistor bipolar

con tensiones colector emisor y base emisor y en el FET como tensiones

compuerta fuente y drenaje fuente.

RECTIFICADOR: circuito que convierte la corriente Alterna (C.A.) en

corriente continua (C.C.).

REGIÓN ACTIVA EN UN TRANSISTOR: región en que la juntura BE

(base-emisor) está polarizada en directa y la región BC (base-colector) está

polarizada en inversa.

REGIÓN DE RUPTURA: región en la que el diodo semiconductor se haya

polarizado en inverso más allá de la tensión de ruptura. Un diodo común se

destruiría, pero un diodo zener aprovecharía la característica para regular a

una tensión fija.

REGULADOR ZENER: regulador basado en el diodo zener cuando trabaja

en la zona de ruptura

RESISTENCIA: es la medida de cuanto se opone un circuito al paso de la

corriente eléctrica a través de él.

SATURACIÓN: región de funcionamiento de un transistor en que ambas

junturas del transistor se hallan polarizadas en directo, lo que causa que el

voltaje entre colector y emisor sea muy pequeño (casi 0 voltios).

SEGUIDOR EMISOR: amplificador transistorizado donde la salida es igual

a la de entrada, incluyendo la fase. Por eso el nombre "seguidor".

TENSIÓN DE RUPTURA:

Tensión en la que un diodo polarizado inversamente causa la ruptura de la

unión PN.

TRANSISTOR: dispositivo semiconductor con tres terminales que funciona

como amplificador y como interruptor.


151

Fuentes de Información

Bibliográficas:

RAYMOND A. SERWAY/CLEMENT J. MOSES/CURT A. MOYER.

“Física moderna”. Tercera edición. Ed. Thomson (2006).

ALBELA J. M./MARTINEZ-DUART J.M. “Fundamentos de electrónica

física y microelectrónica”. Ed. Addison Wesley (2007).

LLUÍS PRAT VIÑAS (Ed). “Circuitos y dispositivos electrónicos.

Fundamentos de electrónica”. Ediciones de la Universidad Politécnica

de Cataluña. (1998)

C. KITTEL. “Introducción a la física del estado sólido”. Ed.Reverté.

(1998)

VAN DER ZIEL. “Física del estado sólido”. Ed. Prentice Hall. (2000)

R.B. ADLER/A.C. Smith/R.L. LONGINI. “Introducción a la física de los

semiconductores”. (Manuales del S.E.E.C.). Ed. Reverté. (2004)

A.R. HAMBLEY. “Electrónica”. Ed.Prentice Hall.

J.A. WALSTUN y J. MILLER. “Transistores, circuito y diseño” (Texas

Instruments). Ed. CECSA. (2000)

Electrónicas

Física con ordenador

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

Electrónica básica

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm

Fundamentos de electrónica física y microelectrónica

http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica_indice.html

Física electrónica de la universidad de valencia

http://www.uv.es/elecfis/

Diodos de potencia

http://www.uv.es/marinjl/electro/diodo.html#1

Lecciones de electrónica


Curso en línea de electrónica

http://electronicacompleta.com/

Instituto latinoamericano de la comunicación educativa

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/b

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm

http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica_indice.html

http://www.uv.es/elecfis/

http://www.uv.es/marinjl/electro/diodo.html#1


http://electronicacompleta.com/

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/b


152

Solucionario

UNIDAD DE

APRENDIZAJE 1

1. D

2. D

3. A

4. A

5. A

6. E

7. C

8. A

9. B

10. D

UNIDAD DE

APRENDIZAJE 2:

1. D

2. A

3. A

4. C

5. D

6. B

7. E

8. C

9. B

10. D

UNIDAD DE

APRENDIZAJE 3:

1. D

2. A

3. A

4. D

5. D

6. E

7. B

8. E

9. E

10. B

UNIDAD DE

APRENDIZAJE 4:

1. C

2. B

3. C

4. E

5. C

6. A

7. C

8. A

9. E

10. C

fisica electrónica

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