Actividad 10Trabajo colaborativo 2

Tutor: Williams Alberto Rairn Rincn

Fsica Electrnica

Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNADECBTI2014

INTRODUCCION

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

El siguiente trabajo colaborativo es de carcter casi practico ya que en este haremos simulaciones en el programa work bench, el cual nos permitir de manera didctica explicar el funcionamiento de algunos circuitos, adems de ello se presenta una investigacin sobre Conductores, Semiconductores y Aislantes, en el cual se maneja lo que es Teora de Bandas de cada uno de los tres materiales, una lista de conductores del de mayor calidad al de menor, los tres tipos de semiconductores existentes que son muy tiles en nuestros tiempos y las diferentes clases de aislantes que como se ver.Adicionalmente enluciremos las principales caractersticas y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor; en donde para un mejor anlisis y comprensin damos ejemplos claros y en algunos casos conocidos por todos nosotros.

Para la realizacin del presente trabajo nos basaremos en la segunda unidad del Mdulo de Fsica Electrnica, OBJETIVOS

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

Dar a conocer los tipos de diodos, diferentes a los expuestos en el Modulo de Fsica Electrnica.

Identificar las caractersticas y diferencias de los transistores NPN y PNP

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

FASE 1Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al Mdulo del curso de Fsica ElectrnicaEnuncie las principales caractersticas y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupoMATERIAL

CARACTERISTICASDIFERENCIA EJEMPLOS

AISLANTENo existe aislante absoluto.Su resistencia al paso de corriente elctrica hasta 2,5 1024 veces mayor que la de los buenos conductoresEstos poseen ms de 4 electrones en la capa de valencia La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad elctrica del cristal es nula.Ceramica, fibras de vidrio con un aglutinador plstico, vidrio, porcelana

CONDUCTORSon los metales su estado slido a temperatura normal, excepto el mercurio que es lquido opacidad, excepto en capas muy finas buenos conductores elctricos y trmicosNo existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conduccin. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conduccin, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los tomos de la red cristalina. En los conductores solidos la corriente elctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones. En los conductores hay un fenmeno llamado superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prcticamente infinita.menos de 4 electrones en la capa de valencia, todo tomo de metal tiene nicamente un nmero limitado de electrones de valencia con los que unirse a los tomos vecinosCualquier material que tenga muy poca resistencia con la electricidad y que permita su paso es un conductor. Conductores Slidos: MetalesCaractersticas Fsicas: buenos conductores elctricos y trmicos. Caractersticas Qumicas: Valencias positivas, tienden a formar xidos bsicos.Conductores Lquidos: El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidadConductores Gaseosos: Valencias negativas (se ioniza negativamente). Tienden a adquirir electrones. Tienden a formar xidos cidos.ejemplo: oro, la plata, el aluminio, cobre, hierro, magnecio

SEMICONDUCTORUn semiconductor es una sustancia Este se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo elctrico en el que se encuentre, capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metalMaterial slido o lquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal.incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezasA temperaturas muy bajas, lossemiconductores puros se comportan como aislantesposee 4 electrones en la capa de valencia Lamagnitud de la banda prohibida es pequea ( 1 eV), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energa dentro de la banda de conduccin, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es aadiendo impurezas que habiliten niveles de energa dentro de la banda prohibida.El elemento semiconductor ms usado es el silicio. De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica spTambin es usado el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc

1. Cmo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qu cualidades o caractersticas adquiere este material con respecto al semiconductor puro?Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadoras de carga libres (en este caso, negativas). Cuando el material dopante es aadido, ste aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cmo se produce el dopaje tipo n considrese el caso del silicio (Si). Los tomos del silicio tienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los tomos de silicio adyacentes. Si un tomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla peridica (ej. fsforo (P), arsnico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentes y un electrn no enlazado. Este electrn extra est dbilmente vinculado al tomo y puede ser excitado fcilmente hasta la banda de conduccin

Semiconductor Tipo P: Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptor y los tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidos como huecos. El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos.Cuando al dopar introducimos tomos con tres electrones de valencia en un elemento de tomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga aparentemente positiva (porque los tomos siguen siendo neutros, debido a que tienen igual nmero de electrones que de protones) que tienen estos elementos. Estos tomos "extraos" que hemos aadido se recombinan con el resto pero nos queda un hueco libre que produce atraccin sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. Tambin se produce una circulacin de estos huecos colaborando en la corriente

El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un tomo trivalente (tpicamente del grupo IIIA de la tabla peridica, tales como el boro (B), el aluminio (Al), el Galio (Ga) o el Indio (In)) es sustituido dentro de la red cristalina. El resultado es la falta de uno de los cuatro electrones del enlace covalente de la red cristalina del silicio. De esta manera, el tomo dopante puede aceptar un electrn que proviene de los enlaces covalentes de los tomos vecinos, completando as sus cuatro enlaces. As los dopantes crean los "huecos". Cada hueco est asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene elctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protn del tomo situado en la posicin del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrn. Por esta razn un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un nmero suficiente de aceptores son aadidos, los huecos superan ampliamente la excitacin trmica de los electrones. As, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

3. Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el LED, el zner y el fotodiodo.Diodo Shockley: es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky.Est formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas alternadamente. Es un tipo de tiristor.La caracterstica V-I se muestra en la figura. La regin I es la regin de alta impedancia (OFF) y la III, la regin de baja impedancia. Para pasar del estado OFF al ON, se aumenta la tensin en el diodo hasta alcanzar Vs, tensin de conmutacin. La impedancia del diodo desciende bruscamente, haciendo que la corriente que lo atraviese se incremente y disminuya la tensin, hasta alcanzar un nuevo equilibrio en la regin III (Punto B). Para volver al estado OFF, se disminuye la corriente hasta Ih, corriente de mantenimiento. Ahora el diodo aumenta su impedancia, reduciendo, todava ms la corriente, mientras aumenta la tensin en sus terminales, cruzando la regin II, hasta que alcanza el nuevo equilibrio en la regin IEn estas condiciones nicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensin positiva se llega a una tensin VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta y la cada de tensin decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conduccin.Smbolo Modelo de conduccin

El diodo Tnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensin aplicada en sentido directo.- Cuando se aplica una pequea tensin, el diodo tnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir).- Si se sigue aumentando esta tensin la corriente aumentar hasta llegar un punto despus del cual la corriente disminuye.- La corriente continuar disminuyendo hasta llegar al punto mnimo de un "valle" - Despus volver a incrementarse. En esta ocasin la corriente continuar aumentando conforme aumenta la tensin.

Todos los diodos cuando estn polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales.Los diodos varactores o varicap han sido diseados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una caracterstica capacitancia-tensin dentro de lmites razonables.

En el grfico inferior se muestran las similitudes entre un diodo y un capacitor.Debido a la recombinacin de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.Esta zona de agotamiento acta como un dielctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente

Las reas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (rea semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formacin de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensin inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separacin (aislante) y separa ms las reas semiconductoras. Este ltimo disminuye la capacitancia.Entonces la capacitancia es funcin de la tensin aplicada al diodo, es inversamente proporcional a estas

El efecto fue descubierto por John B. Gunn en 1963.El efecto Gunn es un instrumento eficaz para la generacin de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores.Gunn observ esta caracterstica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el Fsforo de Indio (InP)El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unin misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnticos.Cuando se aplica un pequeo voltaje continuo a travs de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), sta presenta caractersticas de resistencia negativa. Todo esto bajo la condicin de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.Construccin de un diodo Gunn - Electrnica UnicromAhora, si esta plaquita es conectada a un circuito sintonizado (generalmente una cavidad resonante), se producirn oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.Este efecto Gunn slo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan slo cuando existe un campo elctrico.

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

Funcionamiento de resistencia positiva:

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

Si se aumenta la tensin, la velocidad de la corriente aumenta. Comportamiento tpico y el grfico tensin-corriente es similar al que dicta la ley de Ohm.Funcionamiento de resistencia negativa:Si a plaquita anterior se le sigue aumentando el voltaje, se les comunica a los electrones una mayor energa, pero en lugar de moverse ms rpido, los electrones saltan a una banda de energa ms elevada, que normalmente est vaca, disminuyen su velocidad y por ende la corriente.

De esta manera una elevacin del voltaje en este elemento causa una disminucin de la corriente.

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

La caracterstica voltaje contra corriente se parece mucho a la del diodo Tunnel.La aplicacin ms comn es la del oscilador Gunn

4. Cules son las principales caractersticas y diferencias existentes entre un transistor NPN y uno PNP..TRANSISTORCARACTERISTICASDIFERENCIAS

NPNEl transistor NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayora de los transistores bipolares usados hoy en da son NPN, debido a que la movilidad del electrn es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operacin.Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequea corriente ingresando a la base en configuracin emisor-comn es amplificada en la salida del colector.La flecha en el smbolo del transistor NPN est en la terminal del emisor y apunta en la direccin en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo.Utilizan "partculas" subatmicas de signo Negativo para transportar la corriente.Generalmente Ms usados hoy en da(mejor desempeo)El transistor 2n2222 permiten el paso de corriente desde colector hacia el emisor, cuando reciben un voltaje (mayor a 0,7V) en su base

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

PNPLos transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentacin a travs de una carga elctrica externa. Una pequea corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.La flecha en el transistor PNP est en el terminal del emisor y apunta en la direccin en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo est en funcionamiento activo (esto en cuanto a su simbologa).Utilizan "partculas" subatmicas de signo Positivo para transportar la corriente.Generalmente se construyen con Germanioconstruidos con Silicio.Poco usados hoy en daEl transistor 2n3906, permiten el paso de corriente desde emisor hacia colector (que es en el sentido contrario de los NPN),cuando reciben un voltaje (menor a VCC-0,7) en su base

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

1. Cul es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnolgico

El acelerado desarrollo tecnolgico que vivimos en las ltimas dcadas, nos ha llevado a adaptarnos rpidamente a nuevos conceptos e innovaciones. Dentro de un mundo necesitado de crecimiento y conocimiento, ha sido posible evolucionar desde gigantescas y costosas mquinas de cmputo a sper computadoras porttiles, telfonos mviles, revolucionarios sistemas mdicos y una amplia gama de herramientas electrnicas fcilmente adquiribles, producto del desarrollo de dispositivos semiconductores cada vez ms rpidos y con mayor capacidad de almacenamiento como las memorias digitales porttiles con capacidades cada vez ms grandes.

La evolucin de la tecnologa de los circuitos integrados que permite desarrollar sistemas cada vez ms complejos est recogida en la denominada ley de Moore (1), pronosticada por Gordon Moore en y que puede ser enunciada de la siguiente manera: La capacidad de las memorias digitales de estado slido aumenta a un ritmo de un factor de 2 cada 1.5 aos (2). Lo anterior nos da una idea del mximo nmero de transistores por unidad de superficie que se puede integrar en un circuito; Siguiendo la ley de Moore, los circuitos integrados (CI) llegarn a tener densidades de 1012 bits / cm2 en aproximadamente 12 o 15 aos. Comparando con el cerebro humano que contiene aproximadamente 1012 sinapsis / cm3 y haciendo la analoga entre una sinapsis y un bit, el sistema biolgico y los circuitos integrados llegarn a tener densidades iguales dentro de 15 aos.

Sin embargo, el aumento de la velocidad de respuesta y el nmero de transistores por chip han generado nuevos problemas para los diseadores, quienes se han empeado durante las ltimas dcadas en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no deseados que surgen con la miniaturizacin (3).

Los retos de la tecnologa actual

Actualmente los fabricantes, producen los chips de una "oblea" de silicio cortada de un lingote de cristal. La fabricacin de estructuras muy complejas se basa en procesos de mltiple deposicin, modelado y grabado, similares a esculpir sobre mrmol, sin embargo, cuanto ms pequea es la estructura (nano dimensiones), los fabricantes deben pagar costos muy altos debidos a que el proceso requiere alta fidelidad. Una mquina de modelado de precisin cuesta alrededor de 15 millones de dlares y la evolucin en los procesos de miniaturizacin sugieren que este tipo de herramientas ser cada vez ms costoso, sin contar con que una fbrica puede necesitar 50 de estas mquinas (4).

Segn los expertos, las fbricas no podrn soportar los elevados costos que el avance tecnolgico requiere, adems de enfrentar las limitaciones propias de la tecnologa del silicio (a escalas tan pequeas, los dispositivos empiezan mostrar comportamientos diferentes)

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

FASE 2 Simulacin de Circuitos Electrnicos: realice la simulacin de los siguientes circuitos y analice los resultados obtenidos. 1. Polarizacin del Diodo Comn. Construya los siguientes circuitos y realice su simulacin por medio del software Workbench. Explique lo sucedido

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

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

En el circuito podemos ver al diodo polarizado de manera directa esto deja que la corriente circule, hallamos otra reaccin y esta es que la corriente hace un semi ciclo como el de un restato, es decir podramos con este circuito hacer una especie de luces estroboscpicas.b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

Semiciclo positivo Los diodos D1 y D3 conducen dando lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de cargasemiciclo negativo los diodos D2 y D4 conducen dando lugar a otro semiciclo positivo en la resistencia de carga.Cuando usamos los diodos D1,D2,D3,D4 son usados para rectificar la seal alterna el resultado sera siempre un semiciclo positivo en la resistencia de carga pues cuando no conduce por un lado, conduce por el otro, es lo que llamamos comnmente corriente continua.

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

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

CONCLUSIONES

Con este trabajo se pudo ampliar los conocimientos adquiridos con el apoyo de otras ayudas acadmicas, al investigar un tema extenso y claro como lo es Semiconductores describiendo algunas de sus principales caractersticas y diferencias. Teniendo en cuenta la practicidad de la realizacin del trabajo se pudo conocer ms acerca del funcionamiento y aplicaciones de los componentes que se investigaron Se conocieron otros tipos de semiconductores diferentes a los expuestos en el modulo

Bibliografa

Tllez Acua Freddy Reynaldo, 2008, mdulo de fsica electrnica (UNAD)http://www.geocities.ws/pnavar2/semicon/tipos.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/201419/contLinea/leccin_26_diodos_de_cuatro_capas.htmlhttp://transistores--pnp-npn.wikispaces.com/http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena4/4q2_contenidos_5a.htmhttp://platea.pntic.mec.es/~jalons3/SEMICON/htm/npnpnp.htmhttp://www.electronica2000.com