ACTIVIDAD TRABAJO COLABORATIVO 2

WILLIAM EFREN GALEANO

Código: 80541198

HUGO ALEJANDRO GARCÍA

Código: 80545540

WILMAR PLAZAS SÁNCHEZ

Código: 80495903.

Pablo Andrés HernándezIngeniero Aeronáutico

Tutor

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

FISICA ELECTRÓNICA

OCTUBRE DE 2011.

INTRODUCCION

Gran parte de los avances en la sociedad de la información se han debido al desarrollo de los semiconductores. Prácticamente podríamos decir que vivimos en una sociedad basada en los semiconductores. En casi en todas las actividades humanas se hace uso de los semiconductores, principalmente dentro de los circuitos integrados. El estudio de los semiconductores es fundamental para el entendimiento de los dispositivos electrónicos modernos.

Mediante la realización del presente trabajo se tomara como referencia la segunda unidad del Modulo de Física Electrónica, se realizaran unas simulaciones mediante el programa Workbench para realizar el respectivo análisis y conclusiones de los circuitos requeridos.

OBJETIVO GENERAL

La finalidad del trabajo es evidenciar la comprensión de los fundamentos, conceptos y la aplicación de los semiconductores, conductores y aislantes que se encuentra en la segunda unidad del Modulo de Física Electrónica.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Describir las características y diferencias de los materiales aislantes, semiconductores y conductores.

Investigar otros tipos de diodos, diferentes a los expuestos en el Modulo de Física Electrónica.

Identificar las características y diferencias de los transistores NPN y PNP.

Determinar la importancia de los semiconductores en el desarrollo tecnológico.

Realizar la simulación, análisis y conclusiones de los circuitos propuestos en la segunda fase del trabajo.

DESARROLLO DE ACTIVIDADES

1. Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo.

MATERIAL TIPOS CARACTERISTICAS DIFERENCIAS

CONDUCTORES

Sólidos

Físicas

Buenos conductores eléctricos y térmicos.

Resistencia a la fatiga.

Resistencia a ser rayados.

Resistencia longitudinal.

Químicas

Valencias positivas: tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan.

Tienden a formar óxidos básicos.

Energía de ionización baja.

Eléctricas

Mucha resistencia al flujo de electricidad.

La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.

Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie

Son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia.

Líquidos El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.

Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que

pueden ser cationes, (+) o aniones (-).

Gaseosos

Valencias negativas (se ioniza negativamente).

En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.

Tienden a adquirir electrones

Tienden a formar óxidos ácidos.

Ejemplos: Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados)

AISLANTES

Sólidos

Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado, el cual da forma a estructuras de aislamiento rígidas.

En los sistemas de aislamiento de transformadores destacan las cintas sintéticas, que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados.

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material, el aislante es el que posee más de 4 electrones en su última capa de valencia.Presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.

Líquidos

Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos.

El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable.

Fluidos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.

Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación.

Gaseosos Los gases aislantes más utilizados en

los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas

SEMICONDUCTORES

Intrínsecos

En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.

Un semiconductor es una sustancia que se

comporta como conductor o como

aislante dependiendo del campo eléctrico en

el que se encuentre, capaz de conducir la

electricidad mejor que un aislante, pero peor

que un metal.

Son todos aquellos que poseen 4 electrones en

la capa de valencia.

Extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

Semiconductor Tipo N:

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones

portadores en el material.

Semiconductor Tipo P:

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos.

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

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa (añadir impurezas voluntariamente) mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".  Generalmente los átomos de las impurezas corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita (trivalentes) [como el galio (Ga) o el indio (In)] semiconductores tipo P; o que poseen cinco electrones también en su última órbita (pentavalentes) [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)] semiconductores tipo N. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

Características:

En el semiconductor tipo N cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor.

En el semiconductor tipo P, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina.

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

DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (RF): Los diodos de tratamiento de señal necesitan algo más de calidad de fabricación que los rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc.

Uno de los puntos más críticos en el diodo, al momento de trabajar con media y alta frecuencia, se encuentra en la “capacidad de unión", misma que se debe a que en la zona de la unión PN se forman dos capas de carga de sentido opuesto que conforman una capacidad real.

En los diodos de RF (radio frecuencia) se intenta que dicha capacidad sea reducida a su mínima expresión, lo cual ayudará a que el diodo conserve todas sus habilidades rectificadoras, incluso cuando trabaje en altas frecuencias.

Entre los diodos más preparados para lidiar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los sesenta por la firma Hewletty, deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de fabricación.

A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N.

Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).

El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.

Estas son:

- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha).

Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.

- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).

El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande.

Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad como en computadores donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía.

El símbolo del diodo Schottky se ve en el diagrama a la derecha.

DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP):

La capacidad formada en los extremos de la unión PN puede resultar de gran utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual se está utilizando el diodo. Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, además de las zonas constitutivas de la capacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor óhmico, lo que conforma un capacitor de elevadas pérdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentido inverso la resistencia en paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo se pueda comportar como un capacitor con muy bajas pérdidas.

Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se esparcían lo suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético capacitor (el mismo efecto producido al distanciar las placas del un capacitor estándar).

Por esta razón podemos terminar diciendo que los diodos de capacidad variable, más conocidos como varicap, varían su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensión que los polariza de forma inversa.

La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas mecánicos de capacitor variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción, ejemplo, cuando cambiamos la sintonía de un receptor antiguo, se varía mecánicamente el eje de un capacitor variable en la etapa de sintonía; pero si por el contrario, pulsamos

un botón de sintonía de un receptor de televisor moderno, lo que hacemos es variar la tensión de polarización de un diodo varicap que se encuentra en el módulo sintonizador del TV.

En el siguiente gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.

DIODO GUNN. EFECTO GUNN.

El efecto fue descubierto por Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores.

Gunn observó esta característica en el Arseniuro de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)

El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnéticos.

Cuando se aplica un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.

Ahora, si esta plaquita es conectada a un circuito sintonizado (generalmente una cavidad resonante), se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.

Este efecto Gunn sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico.

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 Gunn

El Arseniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda de energía vacía más alta que la más 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 tensión, la velocidad de la corriente aumenta.

Funcionamiento de resistencia negativa: Si a plaquita anterior se le sigue aumentando el voltaje, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, que normalmente esta vacía, disminuyen su velocidad y por ende la corriente.

De esta manera una elevación del voltaje en este elemento causa una disminución de la corriente.

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

La característica voltaje contra corriente se parece mucho a la del diodo tunel

DIODO TUNNEL (CARACTERÍSTICA DE RESISTENCIA NEGATIVA)

El diodo Tunnel se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.

- Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir).

- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye.

- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle"

- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

Este comportamiento de la corriente en función de la tensión en el diodo tunnel se puede ver en el siguiente gráfico.

Vp: Tensión de pico. Vv: Tensión de valle.

Ip: corriente de pico.

Iv: corriente de valle.

La región en el gráfico en que la corriente disminuye cuando la tensión aumenta (entre Vp y Vv) se llama "zona de resistencia negativa"

El diodo tunnel se llama también diodo Esaki en honor a su inventor japonés Leo Esaki

Los diodos tunnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky.

Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en reversa.

Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.

DIODO LÁSER. LUZ MONOCROMÁTICA COHERENTE.

El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo LED. La palabra LASER proviene de las siglas en inglés: Light 

Amplification by Stimulated Emission of Radiation que significa: Amplificación de luz por Emisión estimulada de radiación

Lo anterior se refiere a un extraño proceso cuántico, donde la luz característica emitida por electrones cuando pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimula a otros electrones para crear "saltos" similares.

El resultado es una luz sincronizada que sale del material.

Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia (color), sino también la misma fase. (También está sincronizada).

Este es el motivo por el cual  la luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias.

En el caso de una fuente de luz blanca común, esta genera todos los diferentes colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos (van en diferentes direcciones) y no están en fase.

En el caso de una fuente de luz láser todos los rayos son del mismo color (monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase.

Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa.

En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente.

Esta luz no sólo es monocromática (un solo color), sino que es monofásica (están en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso.

Los diodos LASER tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura de discos ópticos, donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver un área microscópica en la superficie de un disco. Para mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse.

Algunos diodos láser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia, para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en pequeños instantes de tiempo.

Otros diodos láser necesitan de un funcionamiento continuo pero a menor potencia.

Con el envejecimiento los diodos láser podrían necesitar mas corriente para generar la misma potencia entregada. Pero no hay que olvidarse que estos elementos tienen una vida larga.

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

Cada transistor tiene una disposición distinta.

Otra diferencia entre los transistores NPN y PNP es la polarización, una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.

Polarización de un transistor NPN

Polarización de un transistor PNP

Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base - colector inversamente.

En ausencia de tensiones de polarización, las barreras de potencial existente se muestran en la siguiente figura.

El transistor NPN tiene una frecuencia de respuesta mucho mayor, ya que el flujo de electrones es más rápido.  

En un transistor NPN en conducción, la corriente por emisor, colector y base circula en sentido contrario a la de un PNP.

5. ¿Cuál es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnológico?

Actualmente, ninguna de las tecnologías que han transformado al mundo sería concebible sin los semiconductores. Decenas de miles de investigadores en cientos de laboratorios investigan sobre las propiedades y aplicaciones de los semiconductores. Entre las revistas de física de mayor prestigio, la presencia de artículos dedicados a la física de semiconductores es tan masiva, que, por ejemplo, una revista como physicla Review B les dedica monográficamente uno de los dos números que publica mensualmente (http://www.uv.es/elecfis/Concepto.htm).

Entre los elementos electrónicos que trabajan en base a los semiconductores, los transistores es el principal componente que ha facilitado el diseño de circuitos eléctrico de tamaño reducido, facilidad de control y velocidad de respuesta además del bajo consumo de energía si los comparamos con las antiguas válvulas de vacío que se utilizaban anteriormente. Sin los transistores no sería posible que la mayoría de personas contáramos con un computador en casa o con aparatos eléctricos portátiles como los mismos computadores, radios, celulares, cámaras, en fin la gran cantidad de aparatos que utilizamos que nos facilitan la vida y hasta no la hacen más entretenida.

SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

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

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

En la polarización del diodo común, en la figura de la izquierda, vemos el comportamiento del diodo como circuito cerrado, por su polarización directa se rompe la barrera de potencial y permite el paso de corriente, lo que hace que el indicador rojo se encienda. Ocurre lo contrario en la figura de la izquierda, por estar el diodo polarizado de manera inversa, la barrera de potencial no se rompe y no permite el paso de corriente, se comporta como un circuito abierto.

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

Señal de un rectificador de media onda

Explicación:

En el circuito de la figura anterior, vemos el diodo polarizado directamente lo que permite que la corriente circule, pero, como observamos en el osciloscopio el diodo permite el paso únicamente del semiciclo positivo, es decir si conectáramos un indicador luminoso y variamos la frecuencia a1Hz ocurriría que 1 instante de tiempo estaría apagado y en otro instante estaría encendido. (Sugiero hacer la práctica con el simulador).

Ejemplo de rectificación de media onda con baja frecuencia.

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

Explicación:

Con el rectificador de onda completa, durante el semiciclo positivo los diodos D1 y D3 conducen dando lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga, como se muestra en la siguiente figura.

Cuando el semiciclo es negativo los diodos D2 y D4 conducen dando lugar a otro semiciclo positivo en la resistencia de carga como se muestra en la siguiente figura.

Cuando usamos los cuatro diodos para rectificar la señal alterna el resultado es siempre un semiciclo positivo en la resistencia de carga pues cuando no conduce por un lado, conduce por el otro, es lo que llamamos comúnmente corriente continua.

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

Se hizo el montaje en el simulador de la forma sugerida en la guía de actividades, en el generador de impulsos se colocó la amplitud a 12 V y la frecuencia en 1 Hz, para visualizar más claro el efecto que produce el transistor, para no entrar en explicaciones complicadas lo que vemos es una amplificación de la señal efectuada por el transistor y evidenciada por el osciloscopio, en las siguientes figuras se resalta el valor de la señal de salida en diferentes momentos de la señal de entrada.

CONCLUSIONES

Se realizo una tabla comparativa en la cual se describen las diferencias, características y ejemplos de los materiales semiconductores, aislantes y conductores.

Se hizo una investigación sobre tipos de diodos, sus aplicaciones y características.

Se identificaron las características y diferencias entre los transistores NPN y PNP.

Se determino la importancia de los semiconductores en el desarrollo actual de la tecnología.

Mediante la simulación en el programa Workbench de los circuitos, Rectificador de Media Onda, Rectificador de Onda Completa y Aplicación del Transistor como Amplificador, se determino su respectivo análisis.

BIBLIOGRAFÍA Y CIBERGRAFÍA

TELLEZ ACUÑA, Freddy Reynaldo. Modulo de Física Electrónica. 2006.

www.planetaelectronico.com

http://www.electronica2000.com

http://www.unicrom.com/Tut_Diodo_Gunn.asp