FISICA ELECTRONICAGRUPO: 100414 - 17

TRABAJO COLABORATIVO 2

PRESENTADO POR:FABIAN ADOLFO GARCIA RIVERACdigo: 13.744.854HENRY LEON

Cdigo: 13700745

TUTORFREDDY TELLEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA-UNADESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIAABRIL DE 2014OBJETIVOS GENERALES

Analizar cada uno de los circuitos propuestos en la gua de actividades del curso Fsica Electrnica.

Estudiar los semiconductores y sus principales caractersticas

OBJETIVOS ESPECIFICOS Conocer la teora bsica de los aisladores, conductores y semiconductores.

Analizar los diferentes tipos de diodos y su empleo en la electrnica.

Estudiar la evolucin y el funcionamiento del transistor, laforma en que operan en los diferentes equipos electrnicos que los utilizan.

Estudiar mediante la simulacin de circuitos electrnicos las diferentes variantes que nos permiten realizar en el momento de elaborar un circuito

FASE1:Soluciones los siguientes cuestionamientos reaccionados con los semiconductores. Por favor consulte otras fuentes adicionales al mdulo del curso de fsica electrnica.

Las principales caractersticas y diferencias entre los materiales aislantes, conductores y semiconductores se muestran en la siguiente tabla:MaterialCaractersticasEjemplosDiferencias

Conductor

La mayora de los metales son buenos conductores. Su configuracin electrnica en los tomos y molculas que los conforman les permiten el libre paso de electrones (cargas elctricas). Materiales en los cuales las cargas elctricas se mueven con mucha facilidad Entre menos electrones haya en la rbita de valencia, es mejor. Oro, plata y cobre son los mejores conductores por tener un electrn de valencia. El conductor ms usado es el cobre. Posee una densidad alta de portadores de carga y muchos niveles ocupados en la banda de conduccin.

Cobre Oro Aluminio Plata

Las caractersticas elctricas de los tomos de los materiales definen si estos pueden conducir o no cargase elctricas. Los diferentes elementos y compuestos de la naturaleza tiene propiedades elctricas diferentes.

Semiconductor Materiales en los cuales las cargas elctricas se mueven con cierta dificultad. Su configuracin electrnica en los tomos y molculas que los conforman permite el paso de algunos electrones (cargas elctricas). Tienen 4 electrones de valencia y sus tomos pueden enlazarse entre ellos, para formar cristales estables. Los materiales puros se conocen como intrnsecos y al agregarle impurezas se les llama extrnsecos Materiales como el germanio y el silicio. Germanio Silicio Carbono

Aislante Materiales en los cuales las cargas elctricas no pueden moverse. La configuracin electrnica de sus tomos y molculas es muy rgida y no existen electrones libres (cargas elctricas libres). Materiales que tienen entre 5 y 8 electrones de valencia. Entre ms electrones de valencia tenga mejor aislante ser. Materiales usados vidrio, papel, caucho, resina, cermica y plstico. Vidrio Caucho mbar

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

La siguiente imagen muestra una representacin esquemtica de las bandas de energa en un slido.

Los electrones puedan ocupar un nmero discreto de niveles de energa, puedan tener solamente aquellas energas que caen dentro de las bandas permitidas. La banda donde se mueven normalmente los electrones de valencia se conoce como banda de valencia, y los electrones que se mueven libremente y conducen la corriente se mueve en la banda de conduccin.

La siguiente imagen muestra una representacin esquemtica cinta aislante elctrica.

Material aislante: El aislamiento elctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalacin elctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corriente a travs del elemento que alberga y lo mantiene en su desplazamiento a lo largo del semiconductor. Dicho material se denomina aislante elctrico.Caractersticas: La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que representan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que puedan moverse con facilidad. No existe aislante absoluto. Su resistencia al paso de la corriente elctrica hasta 2,5 *1024 veces mayor que la de los buenos conductores. Los mejores conductores son los elementos metlicos, especialmente el oro, plata(es el ms conductor), el cobre, el aluminio entre otrosLos materiales aislantes tienen la funcin de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalacin) y proteger a las personas frente a las tensiones elctricas (aislamiento protector) La mayora de los no metales es apropiado para esto pues tienen resistividades muy grandes.Diferencias: Las bandas de valencia y conduccin se encuentran muy bien separadas lo cual casi impide que loe electrones se muevan con mayor libertad y facilidad. La magnitud de la banda es muy grande (6 eV), de forma que todos los electrones de cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir potadores de carga libres, la conductividad elctrica del cristal es nula. Ejemplo: El diamante, lana de roca, lana de vidrio, poliestireno Expandido, porexpan, agramiza, fibra de vidrio con aglutinador platico, vidrio, porcelana.Diferencias: Existen muchos materiales aisladores, pero se debe tener en cuenta sus propiedades para la aplicacin en al que se necesite, es importante aclarar que la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, por lo tanto cada gama de aisladores tiene un agama de temperaturas de trabajo. Ejemplo: Cermica, vidrio, plstico, goma, papel seco, aire entre otros.

La siguiente imagen muestra la figura del material conductor.

Material Conductor: Una propiedad comn a prcticamente todos los materiales, es la de permitir, en algn grado, la conduccin de la corriente elctrica, pero as como algunos materiales son buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente. Desde este punto de vista, los materiales pueden clasificarse en conductores y no conductores.Caractersticas: para los conductores la banda de conduccin y la de valencia se traslapan, en este caso, el traspale favorece ya que as los electrones se mueven por toda la banda y conduccin. No 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. Un material es conductor cuando desempea esa funcin en un circuito, independiente del valor de su conductividad. Los conductores en general pueden clasificarse en: metlicos, electrolticos, y gaseosos. Conductores metlicos: son los portadores de cargas son electrones libres, pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Conductores electrolticos: la conduccin es inica; pertenecen a este grupo los llamados electrolitos, es decir los cidos (bases o sales o fundidos) las molculas de estas sustancias cuando se disuelven o funden, de disocian total o parcialmente formando iones positivos o negativos y esto iones son portadores de cargas. En estos casos, el paso de la corriente elctrica corresponde a un desplazamiento de material, y viene acompaado de una reaccin qumica. En los conductores metlicos la electricidad circula atreves de la materia, mientras que en los conductores electrolitos circulan con la materia.Los gases pertenecen a un tercer grupo de conductores, los conductores gaseoso; en el estado normal, los gases no son conductores, pero pueden convertirse relativamente en bueno conductores cuando estn ionizados. Normalmente no se utilizan los gases para conducir corriente, salvo en caso muy especiales la conduccin a travs de los gases no cumple con la ley de Ohm.Diferencias: 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 vecinos.Ejemplos: son todos los metales entre ellos tenemos: El agua, con sales como cloruro, sulfuros y carbonatos que actan como agentes reductores(donantes de electrones), conduce la electricidad , cromo, cobalto, cobre, hierro, plomo.

La siguiente imagen muestra la figura del material semiconductor.

Caractersticas: Los materiales semiconductores son aquellos que estn situados entre los conductores y los aislantes. O sea tienen un menor coeficiente de conductividad que los materiales conductores, y un mayor coeficiente de conductividad que los materiales aislantes. Incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas, a temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes.Diferencias: Existen 2 tipos de semiconductores:Semiconductores tipo P (Positivo) El ms utilizado es el Silicio con impurezas de indio.Semiconductores tipo N (Negativo) Cuando al Silicio se le aade Arsnico obtenemos un semiconductor tipo N. dentro de los semiconductores podemos definir los siguientes componentes electrnicos, ms adelante estaremos dando la definicin ms afondo. El semiconductor posee 4 electrones en la capa de valencia la magnitud 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 de la banda de conduccin, aumentndola la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es aadiendo impurezas que habiliten niveles de energa dentro de la banda prohibida. Ejemplos: Silicio, el germanio, el selenio, el arsnico de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo.

1. Como se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qu cualidades o caractersticas adquieren este material con respecto al semiconductor puro?

Tipo N: Cuatro de los cinco electrones de tomo de arsnico se unirn a los correspondientes electrones de los cuatro tomos de silicio vecinos, y el quinto quedara inicialmente libre, sin una posible unin, y por tanto se convertir en u8n portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo n. En un semiconductor con impurezas del tipo n, no solo aumenta el nmero de electrones sino que tambin la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tena el semiconductor puro. Tipo P: Si al semiconductor puro de silicio se le aade algn tipo de impurezas que tenga tres electrones externos, solo podr formar tres uniones completas con los tomos de silicio, y la unin incompleta dar lugar a un hueco. Este tipo de impurezas proporciona entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo P Al contrario de lo suceda antes en el tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los electrones en comparacin, con los que tena el semiconductor puro. A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o aceptadoras se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se dominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minoritarios.

2. Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el Led, el Zener y el fotodiodo.

La siguiente imagen muestra la figura diodo varactor o varicap

Todos los Didos cuando estn polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece 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 grafico inferior se muestra las similitudes entre un Diodo y un capacitador. 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 ningn carga y flujo de corriente.

Las reas exteriores a la zona de agotamiento si tiene portadores de carga (rea semiconductor): Se puede visualizar sin dificultad la formacin de visualizar sin dificultad la formacin de un capacitador en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante):La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementar la tensin inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumentar 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. Si la tencin aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye Si la tensin disminuye la capacitancia aumenta

La siguiente imagen muestra la figura del smbolo de diodo tnel

El Diodo tnel:Es un diodo semiconductor que tiene un unin pn, en la cual se produce el efecto tnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la caracterstica corriente tensin.La representacin del tramo de resistencia negativa permite su utilizacin como componente activo (amplificador/oscilador). Tambin se conoce como diodos Esaki, en honor del hombre que descubri que un afuerte contaminacin con impurezas poda causar un efecto de tunelizacionde los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unin. Una caracterstica importante del diodo tnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarizacin directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo tnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como bi estable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que estn relativamente libres de los efectos de la radiacin.

La siguiente imagen muestra la figura Un diodo Schottky

Un diodo Schottky:Es un dispositivo semiconductor que se encuentra formado por una unin metal-semiconductor llamada barrera Schottky que genera bajas tensiones umbral y altas velocidades de conmutacin entre la conduccin inversa y directaA frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fcilmente cuando la polarizacin cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutacin puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky es la solucin ya que puede conmutar ms rpido que un diodo normal. El diodo Schottky con polarizacin directa tiene 0,25 V de barrera de potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a frecuencias superiores a 300 MHz.

La siguiente imagen muestra la figura Diodo Gunn

DidoGun:Dispositivo semiconductor impropiamente calificado de diodo ya que no contiene una unin sino una sucesin de tres capas tipo n ms o menos dopadas. En presencia de campos electrnicos elevados, el diodo Gunn es escenario de oscilaciones a muy alta frecuencia.

La siguiente imagen muestra la figura Diodo Shockley

Diodo Shockley:Es un dispositivo de dos terminales que tiene dos 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 tipo p, dispuestas alternamente. Es un tipo de tiristor.Diodo formado por un contacto entre un semiconductor y un metal, lo que elimina el almacenamiento de carga y el tiempo de recuperacin. Un diodo Schotthy puede rectificar corrientes de frecuencia superior a 300Mhz.

Diodo Varicap:

Es un diodo que tiene la capacidad de variar, forma capacitancia en la unin PN, esto hace que el diodo se comporte como un capacitor con altas perdidas cuando se conecta en forma directa, y de bajas perdidas en conexin directa.

4. Cules son las principales caractersticas y diferencias existentes entre un transistor NPN Y uno PNP.A partir de la invencin de los transistores que fue la aplicacin de los semiconductores que ayudo en gran medida a revolucionar el mundo tecnolgico, los cuales presentaron como una gran ventaja poder reducir el tamao de todos los aparatos electrnicos en el mundo. Ahora nuestra sociedad esta marcada en gran parte por la tecnologa de los semiconductores, los sistemas de control, los lectores pticos, las pantallas con luces y en general toda la electrnica de los sistemas colectivos de transporte, utiliza semiconductores. Desde las poderosas computadoras hasta las calculadoras de bolsillo, la mayora de aparatos domsticos, los equipos de medicin de laboratorio, las asombrosas celdas solares, las fotocopiadoras y una larga serie de otras aplicaciones, tienen que ver con los semiconductores. Por lo tanto los semiconductores llevan a la innovacin en el mundo tecnolgico como por ejemplo la Nanotecnologa, nuevas formas de producciones de semiconductores apuntan a crear sistemas electrnicos que proponen una mejora en la calidad de vida de ser humano, promoviendo el ahorro de energa y la proteccin del medio ambiente. S espera desarrollos que actualmente estn solo en la imaginacin de las personas.

La siguiente tabla muestra las principales caractersticas de los transistores NPN y PNP

TRANSISTORCARACTERSTICASDIFERENCIAS

NPN Esta construido con dos secciones tipo N separadas por una seccin tipo P que es ms angosta que las otras. Se polariza en directa entre base y emisor e inversamente entre colector y base. Poseen zonas dopadas con cargas diferentes. El transistor NPN se polariza de tal manera que la base (P) va al positivo y el emisor (N) al negativo de la fuente y en inversa para la juntura colector base. Para el caso del transistor PNP se conecta de manera inversa al PNP

PNP Esta construido con dos secciones tipo P separadas por una seccin tipo N que es ms angosta que las otras. Se polariza en directa entre base y emisor e inversamente entre colector y base.

5. Cul es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo Tecnolgico?

La tecnologa actual en lo relacionado a computadores, comunicacin y otras areas de la ciencia estn ntimamente ligadas al uso de dispositivos semiconductores, desde elementos que consideramos tan bsicos como el cargador de un celular hasta un IPOD de ltima generacin contienen dispositivos como diodos, transistores, circuitos integrados, micro controladores entre otros. Adems aparatos como electrocardigrafos, equipos para el control de mquinas industriales, para controlar los signos vitales de seres humanos y animales en clnicas y hospitales, son aparatos que entre sus partes cuentan con transistores, micro controlador y diodos para mejorar su eficiencia, actuar casi automticamente y controlar diversas variables. Las comunicaciones tambin se vieron beneficiadas con la tecnologa electrnica porque se hicieron ms eficientes y aumentaron en capacidad y velocidad.

FASE 2:Simulacin de Circuitos Electrnicos: realice la simulacin de los siguientes circuitos yAnalice los resultados obtenidos.

1. Polarizacin del Diodo Comn. Construya los siguientes circuitos y realice su simulacin. Por medio del software Workbench. Explique lo sucedido. indicador: sonda roja

La siguiente imagen se muestra diagrama esquemtico del circuito

La actividad ofrece informacin explcita sobre el comportamiento del diodo en un circuito:

En la figura a ocurre lo siguiente:

El diodo est polarizado directamente, cuando el diodo es polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado en serie con una fuente de tensin, cuyo valor es el de la tensin umbral Permite el paso de corriente, siempre que la tensin aplicada supere la tensin umbral del diodo. La sonda roja se enciende.

En la figura b ocurre lo siguiente:

El diodo est polarizado inversamente, el diodo se comporta como un interruptor abierto. El circuito se comporta como abierto, no permite el paso de corriente. La sonda roja no se enciende.

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

Figura 3. Circuito rectificador de media onda

Figura 4. Grfico de la seal de entrada del rectificador de media onda

Figura 5. Grfico de la seal de salida del rectificador de media onda

En el caso de la figura 4 se observa una seal de entrada de voltaje alterno con forma senodal, esto se debe a que el valor de voltaje cambia a medida que transcurre el tiempo, en el caso de la figura 5 solo se ve parte de la seal senodal, porque el diodo al rectificar en un sentido permite el paso del semiciclo positivo ms no del negativo.El voltaje que normalmente hallamos en nuestra casade 110 o 220 V pero, como la gran mayora de artefactos electrnicos que tenemos en nuestra casa funciona con un voltaje menor, todos estos poseen un transformador que lo que hace es disminuir el voltaje a menor escala y transformarlo a corriente continua la cual no vara. Ya que la corriente alterna que es la que tenemos tiene forma de onda senoidal que la conforman un semiciclo positivo y un semiciclo negativo, donde su amplitud depende de la cantidad de voltaje que tenga estos diodos rectificadores normalmente se encuentra a las salidas de estos transformadores, donde su funcin principal es eliminar la fase negativa de la corriente alterna ya que no conduce este polarizacin. Se usa principalmente en fuentes de alimentacin elctrica ms especficamente en la fase de rectificacin donde se pasa de corriente alterna a directa por un arreglo de diodos llamados puentes de diodos que lo veremos a continuacin.

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz

La siguiente imagen se muestra diagrama esquemtico de onda completa

Puente rectificador El puente rectificador es un circuito electrnico usado en la conversin de corriente alterna a corriente continua, es conocido como puente de greatz en honor a su creador LEO GREATZ, consiste en 4 diodos comunes que convierten una seal de semi-ciclos negativos Y semi-ciclos positivos en una seal de solo semi-ciclos positivos ya que no deja circular a travs de l la parte de semi-ciclos negativos, haciendo que la seal valla en un solo sentido

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

La siguiente imagen se muestra la imagen de la seal senoidal

La siguiente imagen se muestra la imagen de la seal senoidal que dio como respuesta el circuito

La curva de transferencia, que relaciona las tensiones de entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada positivas las tensiones de entrada y salida son iguales, mientras que para tensiones de entrada negativas, ambas son iguales pero de signo contrario. El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la seal de entrada transformndola en positiva. La tensin mxima en el circuito de salida es, para igual tensin del secundario del trasformador:Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada ViCuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensin de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva.El resultado es el siguiente, similar a la obtenida en el ejercicio, filtrando los componentes.

CONCLUSIONES

Un conductor es un material a travs del cual se transfiere fcilmente la carga. Un aislante es un material que se resiste al flujo de carga.

Un semiconductor es un material intermedio en su capacidad para transportarcarga.

Un semiconductor tipo N contiene impurezas donadoras y electrones libres.

Un semiconductor tipo P est formado por tomos aceptores y por huecos faltantes de Electrones.

Los tipos de aislantes son dos: Elctricos y Trmicos.

BIBLIOGRAFA

Tllez Acua, Freddy Reynaldo. Mdulo de Fsica Electrnica. Bogot. UNAD. 2008. Recuperado de http://www.unadvirtual.org/moodle/mod/resource/view.php?id=67906

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http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-4-teoria.pdf

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