TRABAJO COLABORATIVOFISICA ELECTRONICA 100414_62

Presentado por:NELSON AUGUSTO SANTUARIO ROBAYO

Código 80054552

Presentado a:WILMER HERNAN GUTIERREZ

Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD)ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, INGENIIERIA Y TECNOLOGIA

INGENIERIA INDUSTRIALBOGOTA D.C.

2013

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Lograr la aprehensión de conceptos de la segunda unidad “Fundamentos de semiconductores”, a través de la consulta teórica y la realización de simulaciones en el software EWB512

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Describir las características y diferencias de los materiales de acuerdo a su conducción Puntualizar en los semiconductores P y los semiconductores N Detallar los diferentes tipos de diodos Describir las principales características y diferencias existentes entre un transistor NPN y

uno PNP Definir la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnológico Realizar las simulaciones de polarización del diodo común, de aplicación del diodo como

rectificador y de aplicación del transistor como amplificador y analizar los resultados obtenidos

FASE 1. CUESTIONARIO

Solucione los siguientes cuestionamientos relacionados con los Semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al Módulo del curso de Física Electrónica. 1. Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un

conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo.

Fig. 1. Diagrama de bandas de energía para materiales conductores, semiconductores y aislantes.

Fuente: http://thetuzaro.wordpress.com/tag/diagrama-de-bandas/

CONDUCTOREntre menos electrones existan en la órbita de valencia de un átomo, mejor conductor será, debido a que se requiere menos energía para liberar un electrón de valencia que para liberar un número mayor. Los materiales conductores tienen uno o dos electrones de valencia, pero entre estos los mejores conductores son los que tienen un electrón de valencia. Los conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. En virtud de que las bandas de valencia y de conducción son adyacentes, se requiere sólo una cantidad despreciable de energía para promover un electrón de valencia a la banda de conducción, donde adquiere libertad para moverse a través de todo el metal, dado que la banda de conducción carece de electrones. Esta libertad de movimiento explica el hecho de que los metales sean capaces de conducir la corriente eléctrica, esto es, que sean buenos conductores.Ejemplo: Oro, Plata, Bronce, Aluminio, Hierro

SEMICONDUCTOR Los materiales semiconductores son aquellos que tienen cuatro electrones de valencia y sus átomos pueden enlazarse entre ellos, compartiendo sus electrones, para formar cristales estables. Esto se conoce como enlace covalente. Numerosos elementos, tienen propiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales y, por ello se denominan elementos semiconductores. La brecha energética entre las bandas llenas y las vacías en estos sólidos es mucho menor que en el caso de los aislantes, si se suministra la energía necesaria para excitar electrones de la banda de valencia a la de conducción, el sólido se convierte en un conductor.Ejemplo: Silicio, Azufre, Galio, Germanio,

AISLANTESon aquellos cuyos átomos tienen 8 electrones de valencia o más de cuatro. Entre más electrones se tengan en la capa de valencia mejor aislante será el material. En un aislante la brecha entre las bandas de conducción y de valencia es considerablemente mayor que en un metal: en consecuencia, se requiere mucha mayor energía para excitar un electrón a la banda de conducción. La carencia de esta energía impide la libre movilidad de los electrones. Ejemplo: Madera, Vidrio, Hule, Cerámica, Corcho

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

SEMICONDUCTOR TIPO NLos semiconductores extrínsecos tipo N son los semiconductores intrínsecos que en el proceso de dopado se le han añadido átomos o impurezas pentavalentes, es decir, las que poseen 5 electrones de valencia, entre las que se pueden mencionar Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb), las cuales son llamadas también Impurezas Donadoras ellas añaden un electrón libre al cristal a temperatura ambiente, los cuatros electrones de valencia restantes forman enlaces covalentes con los átomos vecinos del semiconductor. Estas impurezas introducen un nivel donador entre la banda de valencia y la banda de conducción pero más cercano a esta última. En estos semiconductores a una temperatura cualquiera existen más electrones que huecos, los cuales serán llamados portadores mayoritarios y portadores minoritarios respectivamente.

Fig. 2. Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo (Liberación de un electrón) y átomos de Boro (Absorción de un electrón).

Fuente: http://www.iutlv.edu.ve/iutlv/materia/fundamento/modulo.pdf

SEMICONDUCTOR TIPO PLos semiconductores extrínsecos tipo P son los semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos o impurezas trivalentes, es decir, poseen tres electrones de valencia, entre las que se pueden mencionar Boro (B), Indio (In), Aluminio (Al), Galio (Ga) las cuales son llamadas también Impurezas Aceptadoras ellas añaden un hueco en el cristal a temperatura ambiente por cada átomo agregado al semiconductor, tres de sus electrones de valencia forman enlace covalente con los átomos vecinos del semiconductor y queda un vacío en uno de los enlaces covalentes o simplemente no se llega a formar el enlace. Ellas introducen un nivel aceptador entre la banda de valencia y la banda de conducción pero más cercano a la primera. En estos semiconductores a cualquiera temperatura existen más huecos que electrones, los cuales serán llamados portadores mayoritarios y portadores minoritarios respectivamente, contrario a los semiconductores extrínsecos tipo N.

Fig. 3. Cristal de silicio al cual se le ha añadido o agregado un átomo de boro (B) el cual genera un hueco.

Fuente: http://www.iutlv.edu.ve/iutlv/materia/fundamento/modulo.pdf

Con respecto al semiconductor puro un semiconductor sometido a un proceso de “Dopado” presenta mayor conductividad

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

DIODO DETECTOR

Los diodos detectores también denominados diodos de señal o de contacto puntual, están hechos de germanio y se caracterizan por poseer una unión PN muy diminuta. Esto le permite operar a muy altas frecuencias y con señales pequeñas. Se emplea por ejemplo, en receptores de radio para separar la componente de alta frecuencia (portadora) de la componente de baja frecuencia (información audible). Esta operación se denomina detección.

DIODO VARACTOR

El diodo varactor también conocido como diodo varicap o diodo de sintonía. Es un dispositivo semiconductor que trabaja polarizado inversamente y actúan como condensadores variables

controlados por voltaje. Esta característica los hace muy útiles como elementos de sintonía en receptores de radio y televisión. Son también muy empleados en osciladores, multiplicadores, amplificadores, generadores de FM y otros circuitos de alta frecuencia. Una variante de los mismos son los diodos SNAP, empleados en aplicaciones de UHF y microondas.

DIODO LÁSER

Los diodos láser, también conocidos como láseres de inyección o ILD’s. Son LED’s que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infrarroja, fuertemente concentrada, enfocada, coherente y potente. Son muy utilizados en computadoras y sistemas de audio y video para leer discos compactos (CD’s) que contienen datos, música, películas, etc., así como en sistemas de comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra óptica. También se emplean en marcadores luminosos, lectores de códigos de barras y otras muchas aplicaciones.

DIODO ESTABILIZADOR

Está formados por varios diodos en serie, cada uno de ellos produce una caída de tensión correspondiente a su tensión umbral. Trabajan en polarización directa y estabilizan tensiones de bajo valores similares a lo que hacen los diodos Zéner.

DIODO TÚNEL

Los diodos túnel, también conocidos como diodos Esaki. Se caracterizan por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. Esta última propiedad los hace muy útiles como detectores, amplificadores, osciladores, multiplicadores, interruptores, etc., en aplicaciones de alta frecuencia

DIODO PIN

Su nombre deriva de su formación P(material P), I(zona intrínseca)y N(material N) Los diodos PIN se emplean principalmente como resistencias variables por voltaje y los diodos Gunn e IMPATT como osciladores. También se disponen de diodos TRAPATT, BARITT, ILSA, etc. Son dispositivos desarrollados para trabajar a frecuencias muy elevadas, donde la capacidad de respuesta de los diodos comunes está limitada por su tiempo de tránsito, es decir el tiempo que tardan los portadores de carga en atravesar la unión PN. Los más conocidos son los diodos Gunn, PIN e IMPATT.

DIODO BACKWARD

Son diodos de germanio que presentan en polarización inversa una zona de resistencia negativa similar a las de los diodos túnel.

DIODO SCHOTTKY

Los diodos Schottky también llamados diodos de recuperación rápida o de portadores calientes, están hechos de silicio y se caracterizan por poseer una caída de voltaje directa muy pequeña, del orden de 0.25 V o menos, y ser muy rápidos. Se emplean en fuentes de potencia, sistemas digitales y equipos de alta frecuencia. Una variante son los diodos back o de retroceso, los cuales tienen un voltaje de conducción prácticamente igual a cero, pero también un voltaje inverso de ruptura muy bajo, lo cual lo limita su uso a aplicaciones muy especiales.

4. Cuáles son las principales características y diferencias existentes entre un transistor NPN y uno PNP. Los transistores son semiconductores que constan de 3 terminales: emisor, colector y base. Según como sea la conexión de sus componentes, hay dos tipos, los NPN y los PNP. Se simbolizan de acuerdo a la figura 4.

Fig. 4. Tipo de Transistores bipolares

Fuente: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena4/4q2_contenidos_5a.htm

El de la izquierda es un transistor NPN y el de la derecha un transistor PNP. En el NPN la flecha que indica el sentido de la corriente sale hacia fuera (la corriente irá de colector a emisor) mientras que en el PNP la flecha entra (la corriente irá de emisor a colector).

5. Cuál es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnológico? Según Pinochet (2001), “sin lugar a dudas, el estudio de las propiedades físicas de los materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en el desarrollo técnico de dispositivos eléctricos, representan una de las revoluciones científico-tecnológicas de mayor impacto sobre nuestra sociedad. Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento en los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar, en el reloj de pulsera, en el teléfono celular. Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho, en el mundo existen muchos más transistores que personas A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores -conocidos también como dispositivos de estado sólido- remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y

costo, acompañada de una mucho mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computación, el almacenamiento de información, etc”.

FASE 2. SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Realice la simulación de los siguientes circuitos y analice los resultados obtenidos.

1. Polarización del Diodo Común. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Explique lo sucedido.

Lo que sucede en la primera simulación:

Lo que sucede en la segunda simulación:

2. Aplicación del Diodo como Rectificador. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Anexe al informe las gráficas obtenidas en el osciloscopio. Compare la señal de entrada con la señal de salida. Explique lo sucedido.

a) Rectificador de Media Onda

Lo que sucede en la tercera simulación:

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz Lo que sucede en la cuarta simulación:

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

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

Lo que sucede en la quinta simulación:

ANÁLISIS DE LAS GRÁFICAS Y LOS RESULTADOS OBTENIDOS

En la primera simulación se puede observar el comportamiento de un diodo que al polarizarlo directamente, es decir con el potencial positivo hacia el ánodo y el potencial negativo hacia el cátodo actúa como un corto (conductor), es decir conduce la electricidad.

En la segunda simulación se puede observar el comportamiento de un diodo que al polarizarlo inversamente no conduce la electricidad comportándose como un circuito abierto

En la tercera simulación Rectificador de media onda. Este sistema de rectificación permite transformar una señal alterna (compuesta por dos semiciclos, uno positivo y otro negativo) en una señal con un sólo semiciclo. Cuando el semiciclo positivo de la señal de entrada está presente en el diodo, este se polariza directamente y actúa como un circuito cerrado o corto, lo cual permite que el semiciclo positivo de la entrada pase a la resistencia de carga y Vo será la parte positiva de la señal.

Cuando la parte negativa de la señal de entrada está presente, el diodo actúa como un circuito abierto debido a que queda polarizado inversamente, esto implica que no pasará corriente a la carga y tampoco habrá voltaje sobre ella, luego la salida Vo será cero en este momento.

En la cuarta simulación se visualiza el semiciclo positivo de la señal de entrada tenemos que dos de los diodos quedan polarizados en forma directa entrando en conducción y los diodos otros dos quedan polarizados inversamente ocasionando que el Vm quede sobre la resistencia de carga. Durante el semiciclo negativo los diodos se polarizan al contrario de como lo hacen en el ciclo positivo, pero de todas maneras el voltaje sobre la carga será Vm.

En la cuarta simulación se visualiza la aplicación del transistor como amplificador. El amplificador posee una entrada por donde se introduce la señal débil y otra por donde se alimenta con C.C. La señal de salida se ve aumentada gracias a la aportación de esta alimentación, siguiendo las mismas variaciones de onda que la de entrada.

CONCLUSIONES

A través de la fase de consulta teórica y de las simulaciones realizadas en el software se logró la aprehensión de conceptos del tema de semiconductores

Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo, si la conexión se realiza al contrario se dice que el diodo esta polarizado inversamente y por lo tanto no conduce la electricidad.

Los diodos pueden actuar como conductores y/o rectificadores

El transistor actúa como amplificador, ya que bajo ciertas condiciones, pueden entregar a una determinada carga una potencia de señal mayor de la que absorben.

BIBLIOGRAFÍA

Amaya, L. & Collazos, C. (s.f.). Manual Electronics Workbench. Recuperado de: http://66.165.175.211/campus13_20132/file.php/1434/Manual_Electronics_Workbench.pdf

Chiarena, M. A. (s.f.). Tipos de diodos. Recuperado de: https://sites.google.com/site/electronica4bys/tipos-de-diodos

Modulo I. Teoría de los semiconductores. Recuperado de: http://www.iutlv.edu.ve/iutlv/materia/fundamento/modulo.pdf

Pinochet, J. (2001). Los semiconductores y sus aplicaciones. Recuperado de: http://www4.ujaen.es/~egimenez/FUNDAMENTOSFISICOS/semiconductores.pdf

Téllez, F. R. (2008). Protocolo Académico Física Electrónica. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. UNAD. Recuperado de: http://66.165.175.211/campus13_20132/file.php/1434/100414_Protocolo_Fisica_Electronica_2011.pdf

Téllez, F. R. (2008). Modulo del curso Física Electrónica. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. UNAD. Recuperado de: http://66.165.175.211/campus13_20132/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=48568

Teoría de Bandas: Conductores, aisladores y semiconductores. Recuperado de: http://www.ing.unlp.edu.ar/quimica/Q1.htm

Transistores. Transistores Bipolares. PNP y NPN. Recuperado de: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena4/4q2_contenidos_5a.htm

Tuzaro, (2012). Física del Estado Sólido y Física de Semiconductores: lo que hay que saber. Recuperado de: http://thetuzaro.wordpress.com/tag/diagrama-de-bandas/