Fisica Electrónica
-
Upload
alejandro-adrian -
Category
Documents
-
view
40 -
download
1
description
Transcript of Fisica Electrónica
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
1
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
2
Prefacio:
a asignatura es de carácter teórico-práctica. Ésta,
tiene tiene como fin desarrollar en el estudiante
habilidades de aplicación de los principios físicos en la electrónica
de manera que pueda resolver situaciones problemáticas básicas.
Comprende cuatro Unidades de Aprendizaje:
Unidad I : Estado sólido
Unidad II : Física de los semiconductores.
Unidad III : Dispositivos semiconductores.
Unidad IV : Dispositivos actuales.
L
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
3
Estructura de los Contenidos
La competencia que el estudiante debe lograr al final de la
asignatura es:
“Comprende y aplica los fundamentos físicos de los
dispositivos electrónicos de estado sólido en circuitos
electrónicos simples”.
Estado Sólido
Física de
Semiconductores
Dispositivos
Semiconductores
Dispositivos
Actuales
Teoría de las
bandas de energía
Conductores,
semiconductores
y aislantes
Resistores
Semiconductores
intrínsecos
Semiconductores
dopados tipo P y
tipo N
Unión P- N: El
Diodo
El modelo
matemático de un
diodo
Diodos
semiconductores
Circuito
rectificador
Transistores
unipolares
Cristal líquido
Circuitos
integrados
Fibra óptica
Nanotecnología
Transistores
Sólidos cristalinos
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
4
Índice del Contenido
I. PREFACIO 02
II. DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS 05-152
UNIDAD DE APRENDIZAJE 1: Estado Sólido 05 –37
1. Introducción a. Presentación y contextualización b. Competencia c. Capacidades d. Actitudes e. Ideas básicas y contenido
2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Sólidos cristalinos b. Tema 02: Teoría de las bandas de energía c. Tema 03: Conductores, semiconductores y aislantes d. Tema 04: Resistores
3. Lecturas recomendadas 4. Actividades y ejercicios 5. Autoevaluación 6. Resumen
06 06 06 06 06 06
06 - 20 07 15 21 27 32 33 34 37
UNIDAD DE APRENDIZAJE 2: Física de los Semiconductores 38 – 75
1. Introducción a. Presentación y contextualización b. Competencia c. Capacidades d. Actitudes e. Ideas básicas y contenido
2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Semiconductores intrínsecos b. Tema 02: Semiconductores dopados tipo P y tipo N c. Tema 03: Unión P-N: El diodo d. Tema 04: El modelo matemático de un diodo
3. Lecturas recomendadas 4. Actividades y ejercicios 5. Autoevaluación 6. Resumen
39 39 39 39 39 39
39 -68 40 48 56 64 69 70 71 75
UNIDAD DE APRENDIZAJE 3: Dispositivos Semiconductores 76 -110
1. Introducción a. Presentación y contextualización b. Competencia c. Capacidades d. Actitudes e. Ideas básicas y contenido
2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Diodos semiconductores b. Tema 02: Circuito rectificador c. Tema 03: Transistores d. Tema 04: Transistor unipolares
3. Lecturas recomendadas 4. Actividades y ejercicios 5. Autoevaluación 6. Resumen
77 77 77 77 77 77
77 - 104 78 86 92 99
105 106 107 110
UNIDAD DE APRENDIZAJE 4: Dispositivos Actuales 111 - 147
1. Introducción a. Presentación y contextualización b. Competencia c. Capacidades d. Actitudes e. Ideas básicas y contenido
2. Desarrollo de los temas a. Tema 01: Cristal líquido b. Tema 02: Circuitos integrados c. Tema 03: Fibra óptica d. Tema 04: Nanotecnología
3. Lecturas recomendadas 4. Actividades y ejercicios 5. Autoevaluación 6. Resumen
112 112 112 112 112 112
112 - 140 113
123 129 135 141 142 143 146
III. GLOSARIO 147
IV. FUENTES DE INFORMACIÓN 151
V. SOLUCIONARIO 152
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
5
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
6
Introducción
a) Presentación y contextualización La extensión a un nivel microscópico de nuestro entendimiento de las propiedades
de los sólidos es uno de los logros importantes de la física y esto ha dado un gran
impulso a los avances de la tecnología actual. Por esta razón, el estudio de la
física del estado sólido es muy importante para comprender la ciencia de los
materiales.
La mayor parte de la investigación en la teoría de la física de estado sólido se
centra en los cristales sólidos, en gran parte porque los materiales cristalinos
tienen a menudo características eléctricas, magnéticas, ópticas, o mecánicas que
pueden ser explotadas para los propósitos de la ingeniería.
b) Competencia
Utiliza modelos para explicar los principios físicos de la conducción eléctrica
en los sólidos cristalinos.
c) Capacidades
1. Reconoce y modela la estructura de un sólido cristalino.
2. Analiza la conducción eléctrica usando la teoría de bandas de energía.
3. Clasifica los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.
4. Identifica resistores y calcula su resistencia eléctrica usando códigos de
colores
d) Actitudes
Valora los modelos físicos para comprender los diversos fenómenos físicos
relacionados con los sólidos cristalinos.
Realiza los trabajos con entusiasmo y solidaridad.
e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 1 Estado Sólido comprende el desarrollo de los siguientes temas:
Tema 01: Sólidos cristalinos
Tema 02: Teoría de las bandas de energía
Tema 03: Conductores, semiconductores y aislantes
Tema 04: Resistores
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
7
Cristalinos
Sólidos TEMA 1
Competencia:
Reconoce y modela la estructura de un sólido cristalino.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
8
Desarrollo de los Temas
Tema 01: Sólidos Cristalinos
Tipos de Sólidos
Según la distribución espacial de los átomos, moléculas o iones, los materiales sólidos
pueden ser clasificados en:
Cristalinos: compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de una forma
periódica en tres dimensiones. Las posiciones ocupadas siguen una ordenación que
se repite para grandes distancias atómicas. Figura 1.1.
(a) (b) (c)
Figura 1.1. (a) La sal común o cloruro de sodio un sólido cristalino. (b) Visto al
microscopio con una magnificación de 100 parecen pequeños cubitos. (c)
Modelo del cloruro de sodio, los átomos se organizan en un patrón cúbico.
Amorfos: compuestos por átomos, moléculas o iones que no presentan una
ordenación de largo alcance. Figura 1.2.
(a) (b)
Figura 1.2. (a) El vidrio, formado por dióxido de silicio (SiO2) es un sólido amorfo (b) Modelo del SiO2, los átomos no presentan una ordenación de largo alcance.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
9
Sistema cristalino
Un sólido cristalino puede representarse como una red de líneas en tres
dimensiones, llamada retículo espacial. Tal red puede ser descrita a partir de la
repetición en el espacio de una estructura elemental denominada celda unitaria.
Figura 1.3.
Figura 1.3. (a) Retículo espacial (b) Celda unitaria
En función de los parámetros de red, es decir, de las longitudes de los lados a, b y c
del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, α, β y γ se distinguen siete
sistemas cristalinos. Y en función de las posibles localizaciones de los átomos en la
celda unitaria se establecen 14 estructuras cristalinas básicas, denominadas redes de
Bravais, tal como se muestra en la Tabla 1.1.
Estrucutra del enlaces de los átomos de silicio, cada átomos se enlaza con otros
cuatro. En la red reticular, la celda unitaria es una celda cúbica con átomos en las
caras.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
10
Tabla 1.1. Estructuras cristalinas básicas o redes de Bravais
Sistema cristalino Redes de Bravais
Triclínico
Monoclínico
Ortorrómbico
Tetragonal
Romboédrico
(trigonal)
Hexagonal
Cúbico
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
11
Estructura electrónica de los sólidos cristalinos
Podemos preguntarnos, a qué obedecen las diferencias de comportamiento
eléctrico entre unos materiales y otros. Como la mayor parte de las propiedades de
los sólidos cristalinos, estas diferencias se deben a los diferentes elementos
químicos que conforman el material y de los enlaces electrónicos que existen entre
los átomos. Así pues, realicemos un repaso de los aspectos más esenciales que
determinan la estructura electrónica de enlace entre los átomos.
Analicemos primero la estructura electrónica de un solo átomo. La mecánica
cuántica nos dice que los electrones de los átomos se mueven alrededor del
núcleo atómico, en determinados orbitales, que sólo pueden tomar ciertos valores
de energía bien definidos. El cálculo de la energía asociada a los orbitales es en
general complejo, y sólo es posible llevarlo a cabo en forma exacta para el átomo
de hidrógeno, formado por un protón y un electrón. En este caso, considerando el
núcleo en reposo, la energía del electrón está dado por:
𝑬 = −𝟏𝟑, 𝟔
𝒏𝟐 …(1)
Donde
E = energía medida en electronvoltios (eV).
n = 1, 2, 3, … = número cuántico principal.
El nivel de energía más bajo (n =1) la energía vale – 13,6 eV. Este nivel se denomina
estado fundamental del átomo de hidrógeno. El signo negativo indica que se trata de
energía de enlace. Esto también significa que la energía necesaria para sacar el
El electronvoltio (eV)
Los electrones ocupan niveles de energía de valores muy pequeños
comparados con los valores de energía al cual estamos acostumbrados
macroscópicamente. Es conveniente definir una unidad de energía pequeña,
está unidad es el electronvoltio (eV). La equivalencia entre electronvoltio (eV)
y joule (J) es:
1eV ≡ 1,6 ×10-19J
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
12
electrón desde el estado fundamental hasta una distancia fuera de la influencia del
núcleo, es 13,6 eV, conocida como energía de ionización.
El electrón puede ocupar también otros estados de mayor energía (con n > 1),
denominados estados excitados, cuando recibe energía suficiente mediante algún
proceso de excitación (térmica, luminosa, etc.).
Los átomos con mayores números de electrones tienen también una estructura de
niveles energéticos similar a los del hidrógeno, aunque están distribuidos y ordenados
de manera más compleja, ya que el valor de la energía no solo depende del número
cuántico principal n sino también de otros números cuánticos Figura 1.4.
Figura 1.4. Esquema de los niveles de energía que pueden ocupar los electrones en
un átomo. El valor de la energía de estos niveles no solo depende del número
cuántico n y si no de otros número cuánticos. En un átomo los electrones se
distribuyen en orbitales de menor a mayor energía.
Principio de exclusión de Pauli « En un nivel de energía pueden haber como máximo dos electrones »
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
13
La energía de Fermi
En un átomo con muchos electrones, a la temperatura T = 0K, los electrones
ocuparán los niveles de energía compatibles con el principio de exclusión de Pauli.
Así, si tenemos una concentración de N electrones por centímetro cúbico, los
niveles de energía se irán ocupando de dos en dos y los N electrones llenaría N/2
niveles de energía. La energía del último nivel lleno o semilleno, a T = 0 K se llama
energía de Fermi, EF, Figura 1.5.
Figura 1.5. Esquema de niveles de energía. La energía de Fermi
(EF) corresponde a la energía del último nivel de energía ocupado
por uno o dos electrones.
La energía de Fermi depende de la concentración de electrones, es decir del
número de electrones por unidad de volumen, y está dado por la ecuación:
𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒𝒆𝑽
𝒄𝒎𝟑) (𝑵)𝟐/𝟑
…(2)
Donde
EF= energía de Fermi (en eV)
N = concentración de electrones por unidad de volumen (1/cm3)
Niveles de energía
EF
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
14
En la Tabla 1.2, se muestra la energía de Fermi para algunos elementos.
Tabla 1.2. Concentración de los electrones libres y energías de Fermi para diversos elementos
Elemento (N)
(electrones/cm3)
Energía de Fermi
(eV)
Al Aluminio 18,1×1022 11,7
Ag Plata 5,86×1022 5,50
Au Oro 5,90×1022 5.53
Cu Cobre 8,47×1022 7.04
Fe Hierro 17,0×1022 11,2
Na Sodio 2,65×1022 3,24
Referencia: Física para la ciencia y la tecnología. Volumen 2. Paul a Tipler.2003.
EJE
MP
LO
1
Determinar la energía de Fermi del aluminio a T = 0K.
1. La energía de fermi viene dada por la ecuación:
𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒𝒆𝑽
𝒄𝒎𝟑) (𝑵)𝟐/𝟑
2. Reemplazamos la concentración de electrones, dada en la tabla 2.
𝑬𝑭 = (𝟎, 𝟑𝟔𝟓 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒 𝒆𝑽
𝒄𝒎𝟑) (18,1 × 1022)𝟐/𝟑 = 𝟏𝟏, 𝟔𝟕𝒆𝑽
Hazlo tú
Verifica que la energía de Fermi para el sodio es 3,24 eV
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
15
TEMA 2
Teoría de las
Bandas de Energía Competencia:
Analiza la conducción eléctrica usando la teoría de bandas de energía.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
16
Tema 02: Teoría de las Bandas de Energía Las Bandas de Energía
Cuando se trata de moléculas formadas por dos o más átomos, los electrones
ubicados en niveles de energía mayores (electrones de las capas más externas)
participan en el enlace entre los átomos, mientras que el resto de los electrones
siguen muy ligados a sus núcleos respectivos.
La interacción entre los átomos da lugar a desdoblamientos de los niveles de energía
originales de los electrones. Así por ejemplo, si dos átomos se enlazan cada nivel de
energía se desdobla en dos niveles de energía ligeramente diferentes. Si tres átomos
se enlazan cada nivel de energía se divide en tres niveles de energía
ligeramente distintos. Si tenemos N átomos idénticos se enlazan, un
nivel particular de energía de un átomo se divide en N niveles
energéticos distintos, pero muy próximos, Figura 2.1. En un sólido
macroscópico, N es un número muy grande – del orden 1023 – de
modo que cada nivel energético se divide en un número muy grande
de niveles, que forman una banda de energía
Figura 2.1. División energética de dos niveles de energía para seis átomos enlazados,
en función de la separación de los átomos.
Nivel 1
Nivel 2
Bandas de energía permitidas
En
erg
ía
Separación entre átomos
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
17
Para comprender la conducción eléctrica de los materiales, estas bandas de
energía se dividen en tres bandas, Figura 2.2, que son:
La banda de valencia: está ocupada por los electrones de
valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran
en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de
valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no
intervienen en la conducción eléctrica.
La banda de conducción: está ocupada por los electrones libres, es decir,
aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos
electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.
En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica
debe tener electrones en la banda de conducción. Cuando la banda de conducción
esté vacía, el material se comportará como un aislante.
Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda
prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los
electrones.
Figura 2.2. Esquema de las bandas de energía de un sólido cristalino. El nivel de
mayor energía en la banda de valencia es EV= -1,14 eV. El nivel de menor energía en
la banda de conducción es EC = -0,04eV. El ancho de la banda prohibida es Eg = EC –
EV = 1,10eV.
EV=-1,14eV
EC
-1,15eV
-1,22eV
-1,28eV
EC= -0,04eV
-0,03eV
-0,02eV
-0,01eV
Energía
Eg =1,10eV
Banda de conducción
Banda de prohibida
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
18
La función de probabilidad de Fermi-Dirac
El movimiento de los electrones dentro de la banda de conducción y de valencia
se realiza con un intercambio de energía entre ellos. Como resultado de este
intercambio de energía, el conjunto de electrones en cada una de las bandas de
energía se distribuye entre los distintos niveles de energía. Sin embargo esta
distribución no es uniforme, hay determinadas zonas o intervalos de energía
donde la concentración de electrones puede ser mayor o menor.
La probabilidad de que los niveles de energía de una banda estén
ocupados por un electrón está regida por la estadística de Fermi-
Dirac. Esta estadística se aplica, considerando el principio de exclusión
de Pauli, el cual afirma que en un nivel de energía no puede
haber más de dos electrones.
La probabilidad de encontrar un nivel de energía E ocupado
por electrones está dado por la función F(E):
𝑭(𝑬) =𝟏
𝟏 + 𝒆(𝑬−𝑬𝑭) 𝒌𝑻⁄
…(3)
Donde
EF = Constante denominada energía de Fermi (en electronvoltio, eV).
k = 8,62×10-5eV/K = constante de Boltzmann.
T= Temperatura (en kelvin, K).
La función de probabilidad F(E) está comprendido entre cero
(estado vacante o hueco) y la unidad (estado ocupado). A la
temperatura T = 0K, para niveles de energía E < EF, F(E) = 1y
para niveles de energía E > EF, F(E) = 0. Esto significa que a la
temperatura T = 0K, para niveles de energía inferiores a la energía
de Fermi, la probabilidad de encontrar niveles ocupados es del
100% y para niveles energías superiores a la energía de Fermi, la
probabilidad es de 0%, ver Figura 2.3.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
19
Figura 2.3. Cuando la temperatura T = 0K, la probabilidad de encontrar niveles de
energías ocupados debajo de la energía de Fermi (EF) es del 100% y para niveles de
energía superiores a la energía de fermi, la probabilidad es nula, 0%.
Para temperaturas mayores que cero, T > 0K, la probabilidad de encontrar niveles de
energía ocupados, inferiores a la energía de Fermi es mayor al 50% y la probabilidad
de encontrar niveles de energía ocupados, superiores a la energía de Fermi es
menor al 50%, ver Figura 2.4.
Figura 2.4. Para temperaturas mayores que el cero absoluto, T > 0 K, la probabilidad
de encontrar niveles de energías ocupados inferiores a la energía de Fermi es más
del 50%.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
20
EJE
MP
LO
2
Determinar la probabilidad de que un nivel de energía en el cobre E = 7,14
eV, este ocupado a T = 300K.
1. Calculamos el exponente, considerando que EF= 7,04 (ver tabla 1.2):
𝑬 − 𝑬𝑭
𝒌𝑻=
(−𝟕, 𝟏𝟒𝒆𝑽) − (−𝟕, 𝟎𝟒)
(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟑, 𝟒𝟖
2. Utilizamos este resultado para calcular la probabilidad de Fermi:
𝑭 =𝟏
𝟏 + 𝒆𝑬−𝑬𝑭
𝒌𝑻
=𝟏
𝟏 + 𝒆𝟑,𝟒𝟖= 𝟎, 𝟎𝟐𝟗𝟗 = 𝟐𝟗, 𝟗%
Hazlo tú
Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima
energía de la banda de valencia EV = - 0,64 eV, es del 97%.
Conducción en Metales
A la temperatura T = 0K, según la estadística de Fermi, todos los niveles de
energía por debajo de la energía de Fermi están llenos de electrones, mientras
que los niveles de energía superiores a la energía de Fermi están vacíos, Figura
2.3. Por ejemplo, en el caso del cobre a la temperatura de 0K, la energía de Fermi
EF = 7,04 eV y la energía de la banda de prohibida es Eg = 0, por lo tanto todos los
niveles de energía menores a 7,04 eV están llenos.
A temperaturas superiores a 0K, algunos electrones adquieren energía
térmica y pasa a niveles superiores a la energía de Fermi, pero estos
no son los suficientes para producir una corriente eléctrica. Pero si
se aplica voltaje al metal, los electrones que se encuentran en los
niveles próximos a la energía de Fermi, pueden pasar a
niveles superiores de energía, donde los electrones son
libres de moverse.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
21
TEMA 3
Conductores, Semiconductores
Aislantes
Competencia:
Clasifica los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.
y
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
22
Tema 03: Conductores, Semiconductores y
Aislantes
La estructura de bandas de un material permite explicar su capacidad
para conducir o no la corriente eléctrica. Según esto podemos distinguir
a los materiales en conductores, semiconductores y aislantes.
Conductores
En los materiales conductores, las bandas de valencia y conducción se
encuentran muy próximas y en muchos casos se solapan. La banda de
conducción está ocupada por electrones libres, desligados de sus átomos, que
pueden moverse fácilmente y pasar de unos átomos a otros. Este tipo de
estructura de bandas corresponde a materiales que pueden conducir la corriente
eléctrica Figura 3.1.
Figura 3.1. Los metales son buenos conductores, la banda de conducción y la
banda de valencia se encuentran muy próximas y en muchos casos se solapan. La
banda de conducción tiene muchos electrones libres capaces de moverse al
conectar el metal a pequeños voltajes.
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
23
Figura 3.2. En 1mg de litio hay aproximadamente 1020 átomos y los niveles de
energía disponibles son tanto que parecen una banda continua.
Semiconductores
Los materiales semiconductores, las bandas de valencia y conducción están
próximas, separadas por una banda prohibida muy estrecha, Tabla 3.1. Esta
situación permite que, si se comunica una pequeña cantidad de energía al
material, algunos electrones de la banda de valencia puedan «saltar» a la banda
de conducción. Al tener ocupada la banda de conducción, el material se
comportará como conductor.
Figura 3.3. Esquema de banda de energía un
material semiconductor.
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
EV
EV
EC
Eg
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
24
(a)
(b)
Figura 10. (a) Aspecto del silicio metalúrgico (b) Barras de silicio semiconductor
de 99,99% de pureza
Aislantes
En los materiales aislantes la banda de conducción se encuentra vacía, pues no hay
electrones libres, de modo que no pueden conducir la corriente eléctrica. La banda que
está ocupada en este caso es la banda de valencia, pero estos electrones no pueden
moverse libremente. En un aislante la banda prohibida es muy grande y esto significa
que un electrón en la banda de valencia necesita mucha energía para pasar a la
banda de conducción y convertirse en un electrón libre, necesario para la conducción.
Tabla 3.1. Valores del ancho de la banda prohibidos para algunos semiconductores
Sólido
cristalino
Eg ( eV)
0K 300K
Si 1,17 1,14
Ge 0,74 0,67
InP 1,42 1,35
GaAs 1,52 1,43
Referencia: Introduction to Solid State Physics, 6ª Ed., John Wiley
and sons, Inc., 1986
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
25
La distribución de Fermi –Dirac predice que la probabilidad de encontrar electrones en
la banda de conducción es aproximadamente nula, y a temperaturas mayores a 0K
muy pocos electrones se excitarán hacia la banda de conducción, Figura 3.4.
El diamante presenta un ancho de banda, Eg = 6 eV, el cual significa que los electrones
de valencia requieren de mucha energía para pasar a la banda de conducción, por lo
tanto el diamante es un aislante.
Figura 3.5. Diamantes artificiales
usados en muchas herramientas
adiamantadas. El
diamante es un
material aislante,
cuya banda
prohibida es de
aproximadamente 6
eV.
Figura 3.4. Esquema de banda de energía un material aislante. El ancho de la
energía de la banda prohibida es muy grande del orden de ~10 eV.
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Eg ~ 10 eV
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
26
Aunque un aislante posee muchos niveles de energías vacantes en la banda de
conducción que pueden aceptar electrones, hay tan pocos electrones que
realmente que la contribución a la conductividad eléctrica es muy pequeña, lo que
resulta una elevada resistividad para los aislantes.
Los sólidos cristalinos pueden clasificarse en conductores, semiconductores y
aislantes de acuerdo a su resistividad eléctrica (ρ), que se mide en ohmio- metro
(Ω m). Los metales que son buenos conductores tienen resistividades muy
pequeñas menores a 10-5Ω m, los semiconductores tienen resistividades
comprendidas entre 10-6Ω m y 103Ω m y los aislantes tienen resistividades muy
altas, superiores a 103Ω m, Figura 3.5.
Figura 3.5. Conductores, semiconductores y aislantes.
Figura 3.6. Los cables
conductores en muchos
circuitos están protegidos
por aislantes que soportan
altas temperaturas.
27
TEMA 4
Resistores
Competencia:
Identifica resistores y calcula su resistencia eléctrica usando códigos de colores.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
28
Tema 04: Resistores
Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una
resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. Los resistores
usados en circuitos electrónicos están hechos en su mayoría de carbón pulverizado y
un aglomerante. La intensidad de corriente máxima en un resistor viene condicionada
por la máxima potencia que puede disipar. Esta potencia se puede identificar
visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores
más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Los resistores de potencia pequeña, menores de 2 W, llevan
grabadas unas bandas de color que permiten identificar el valor
de la resistencia que éstas poseen y para los resistores de
potencia mayor generalmente llevan su valor impreso con
números sobre su cuerpo.
Figura 4.1. Diferentes resistores usados en electrónica. Las bandas de color indican su
valor y tolerancia.
La resistencia se mide en ohmio (Ω). Para valores muy grandes
se suele utilizar múltiplos como: el kilo-Ohmio (1kΩ=103 Ω) y el
Mega-Ohmio (1M Ω =106 Ω).
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
29
Como leer el valor de la resistencia eléctrica de un resistor con bandas de colores
En los resistores con 4 bandas de colores
La primera banda representa el dígito de las
decenas.
La segunda banda representa el dígito de
las unidades.
La tercera banda representa a un
multiplicador
La cuarta banda representa la tolerancia o el
rango.
EJE
MP
LO
3
En la figura se muestra un resistor de
carbono con 4 bandas de colores. Vamos a
determinar el valor de la resistencia
decodificando los valores de cada banda de
color.
Anotamos los valores de cada banda de color, dadas en la Tabla 4.1:
Banda 1 = Marrón = 1
Banda 2 = Negro = 0
Banda 3 = Amarillo = x 10 000
Banda 4 = Dorado = Tolerancia =10%
Expresamos el valor de la resistencia:
R = 10 x 10 000 ± 10% =100 kΩ ± 10%
R = (100 ± 10) kΩ
El valor de la resistencia está comprendido entre 90 kΩ y 110 kΩ.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
30
Para resistores de precisión de 5 bandas de colores el procedimiento es similar, ver el ejemplo 4.
EJE
MP
LO
4
En la figura se muestra un resistor de carbono con 5 bandas de colores.
Vamos a determinar el valor de la resistencia usando el código de
colores, mostrados en la Tabla 4.1.
Anotamos los valores de cada banda de color, dadas en la Tabla 3:
Banda 1 = Marrón = 1
Banda 2 = Negro = 0
Banda 3 = Negro = 0
Banda 4 = Amarillo = x 10 000
Banda 5 = Rojo = Tolerancia =2%
Expresamos el valor de la resistencia:
R = 100 x 10 000 ± 2% =1000 kΩ ± 2%
R = (1000 ± 20) kΩ
El valor de la resistencia está comprendido entre 980 kΩ y 1020 kΩ.
Hazlo tú
En la figura se muestra una parte de un
circuito impreso. Usando el código de colores
de la tabla 4.
a) Deducir las bandas de color que deberá
tener R2 = 330 Ω, con una tolerancia de
5%.
b) Verificar que la resistencia R3 = 100Ω.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
31
Tabla 4.1. Código de colores en las resistencias
COLORES Banda 1 Banda 2 Multiplicador Tolerancia
Plateado ------ ------ x 0,01 10 %
Dorado ------ ------- x 0,1 5 %
Negro 0 0 x 1 -------
Marrón 1 1 x 10 1 %
Rojo 2 2 x 100 2 %
Naranja 3 3 x 1 000 ------
Amarillo 4 4 x 10 000 -------
Verde 5 5 x 100 000 0,5%
Azul 6 6 x 1 000 000 -------
Violeta 7 7 x 10 000 000 --------
Gris 8 8 x 100000000 --------
Blanco 9 9 x 1 000 000 000 -------
Ninguno ---- ----- ------- 20 %
Los Potenciómetros o Resistores Variables
Los potenciometros son
resistores de resistencia
variable, se utilizan para
graduar la resistencia y
modificar la intensidad de
corriente. La perilla del
volumen en las radios es un
potenciómetro.
Potenciómetro:
R = 100Ω, P = 2W y 20%
de tolerancia.
Potenciómetro = 500kΩ,
P = 0,25 W y ± 20% de
tolerancia.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
32
Lecturas Recomendadas
VÍDEO: “SÓLIDOS CRISTALINOS” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=zGiHAh-7VHc
VÍDEO: “RESISTORES” EN: http://www.youtube.com/watch?v=Xe0PSiBHEZc
http://www.youtube.com/watch?v=As-Z2uszUp8
LECTURA: “ESTRUCTURAS CRISTALINA” http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1a.pdf
http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1b.pdf
http://www.fis.puc.cl/~jmejia/docencia/solidos/cap1c.pdf
1. Ingresa al siguiente link: “SÓLIDOS CRISTALINOS” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Investiga en el Internet sobre los siguientes elementos,
describe su estructura cristalina, propiedades y
aplicaciones:
a) Silicio
b) Germanio
c) Galio
Elabora una presentación tipo infografía (información solo con imágenes de la web,
con su debida leyenda) usando Power Point, publica tu presentación en:
www.slideshare.net
Envía la dirección de tu publicación a tu profesor.
Importante: En tus presentaciones, haz referencia a la fuente de información de dónde
has obtenido las imágenes. Esto demostrará que has realizado una buena investigación.
Actividades y Ejercicios
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
33
2. Ingresa al siguiente link: “TEORÍA DE BANDAS” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
En los siguientes links, descarga la información y observa los ejemplos de cómo los
electrones se distribuyen en niveles de energía.
http://www.genealog.cl/cursos/id42a/02-2TeoriaBandas.PDF
http://www2.uca.es/grup-
invest/instrument_electro/Ramiro/docencia_archivos/Bandas.PDF
Busca información sobre el silicio, el boro y el fósforo, luego realiza un esquema o
dibujo (puedes usar Patín) e indica cómo se distribuyen sus electrones cuando estos
átomos están solos. Envía tu dibujo a tu profesor en formato jpg, jpeg o png.
3. Ingresa al siguiente link: “RESISTORES” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Visita el siguiente link, y observa las bandas de colores para diferentes valores de
resistencias.
http://www.pablin.com.ar/electron/trucos/resistor/resistor.htm
Luego, completa la siguiente tabla:
Código de colores Valor de resistencia
1. Negro, Marrón, Rojo, Plateado
2. Rojo, Azul, Negro, Dorado
3. Verde, Amarillo, Rojo, Plateado
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
34
Autoevaluación
1) El número de estructuras cristalinas básicas o redes de Bravais de los sólidos
cristalinos son:
a. Uno
b. Tres
c. Cinco
d. Siete
e. Trece
2) En el átomo del hidrógeno, la energía (en eV) que corresponde al número cuántico
n = 3 es:
a. - 13,6
b. - 3,40
c. - 4,53
d. - 1,51
e. - 0,51
3) La energía de Fermi que corresponde al estaño (Sn), cuyo concentración de
electrones 14,8×1022 cm-3, entonces la energía de Fermi (en eV) que le corresponde
aproximadamente es:
a. 10,2
b. 12,3
c. 13,4
d. 23,5
e. 25,5
4) En un sólido los electrones están ubicados en niveles de energías que forman bandas de energías continuas que ordenadas de menor a mayor son:
a. Banda de valencia, banda de conducción, banda prohibida
b. Banda de conducción, banda prohibida, banda de valencia
c. Banda de valencia, banda prohibida, banda de conducción
d. Banda prohibida, banda de valencia, banda de conducción
e. Banda prohibida, banda de conducción, banda de valencia.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
35
5) Use la siguiente ecuación:
𝑭(𝑬) =𝟏
𝟏 + 𝒆(𝑬−𝑬𝑭) 𝒌𝑻⁄
Para calcular la probabilidad de que un nivel de energía en el aluminio E = 11,5 eV,
esté ocupado a T = 300K. La energía de Fermi del aluminio es 11,6 eV.
𝒌 = 𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲
a. 98%
b. 92%
c. 90%
d. 20%
e. 2%
6) Indique verdadero (V) o falso (F) sobre las siguientes afirmaciones:
I. En los conductores el ancho de la energía de la banda prohibida es nula.
II. Si la energía de la banda , de menor energía, en la banda de conducción, es -
0,1eV y la energía de la banda, de mayor energía, en la banda de valencia, es -
1,2 eV, entonces el ancho de la banda prohibida es 1,3eV
III. En los aislantes, los niveles de energía de la banda de conducción y la banda de
valencia se solapan.
a. VVV
b. FFF
c. FVF
d. VFV
e. VFF
7) De los siguientes elementos, Zinc, Galio, Silicio, Germanio, Carbono, Titanio,
Cadmio, el número de materiales semiconductores son:
a. 1
b. 2
c. 3
d. 4
e. 5
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
36
8) De los siguientes valores del ancho de banda prohibida (Eg), el que mejor
corresponde a los materiales aislantes es:
a. 12,2eV
b. 1,42 eV
c. 1,17 eV
d. 0,74eV
e. 0,13 eV
9) Si en un resistor se observa las siguientes bandas de colores, rojo, negro, rojo y
dorado, teniendo en cuenta los códigos de colores, el valor de la resistencia es:
a. (1000 ± 50) Ω
b. (2000 ± 100) Ω
c. (20000 ± 100) Ω
d. (2000 ± 10) Ω
e. (200 ± 1) Ω
10) Se desea comprar una resistencia 520 Ω con una tolerancia 0,5%, las bandas de
colores que debe tener son:
a. Verde, Rojo, Marrón, Dorado
b. Rojo, Rojo, Marrón, Plateado
c. Verde, Rojo, Marrón, Rojo
d. Verde, Rojo, Marrón, Verde
e. Rojo, Verde, Marrón, Verde
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
37
Resumen
UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE II::
Un sólido cristalino es aquél que tiene una estructura periódica y ordenada, como consecuencia tienen una forma que no cambia, salvo por la acción de fuerzas externas. Cuando se aumenta la temperatura, los sólidos se funden y cambian al estado líquido. Las moléculas ya no permanecen en posiciones fijas, aunque las interacciones entre ellas siguen siendo suficientemente grandes para que el líquido pueda cambiar de forma sin cambiar apreciablemente de volumen, adaptándose al recipiente que lo contiene. El Sólido cristalino está compuesto por átomos, moléculas o iones organizados de una
forma periódica en tres dimensiones.
La Estructura básica esta formada de átomos organizados que se repite en el espacio.
Existen 14 estructuras básicas conocidas como redes de Bravais.
Energía del electrón en el átomo de hidrógeno (E):
𝐸 = −13,6
𝑛2; 𝑛 = 1,2,3, …
Energía de Fermi (EF).- Energía del último nivel lleno o semilleno, a T = 0K. Depende de la concentración de electrones (N).
𝐸𝐹 = (0,365 × 10−14𝑒𝑉
𝑐𝑚3) (𝑁)2/3
Las bandas de energía tienen un conjunto de niveles de energía muy juntos que se forma por los enlaces de varios átomos. En un sólido cristalino se distinguen tres bandas: banda de valencia, banda de conducción y banda prohibida. La función de probabilidad de Fermi-Dirac.-Función que indica la probabilidad de encontrar un electrón en algún nivel de las bandas de conducción o de valencia, en función de la temperatura.
𝑭(𝑬) =𝟏
𝟏 + 𝒆(𝑬−𝑬𝑭) 𝒌𝑻⁄
Los conductores son sólidos donde la banda de conducción se solapa con la de valencia.
No hay banda prohibida, los electrones pasan fácilmente de la banda de valencia a la banda
de conducción. A diferencia, los semiconductores son sólidos donde la banda de
conducción está cerca de la banda valencia. La banda prohibida tiene un ancho pequeño,
los electrones pueden pasar de la banda de valencia a la banda de conducción y volverse
un buen conductor. Los aislantes son sólidos donde el ancho de la banda prohibida es
grade, ~10eV, no hay electrones en la banda de conducción y por eso son malos
conductores.
Los resistores son un componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule, la finalidad es modificar la intensidad de corriente en un circuito. Los resistores con bandas de colores, indican el valor de su resistencia a través de un código de colores.
38
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
39
Introducción
a) Presentación y contextualización Los semiconductores tienen aplicaciones importantísimas, por el hecho que su
conductividad puede ser cambiada drásticamente por la adición de cantidades muy
pequeñas de impurezas en los materiales semiconductores como el silicio. Los
diodos, transistores y otros dispositivos basados en semiconductores han
revolucionado totalmente la industria electrónica. Gracias a los semiconductores
fue posible reducir enormemente el tamaño de los dispositivos electrónicos.
b) Competencia Utiliza la teoría de las bandas de energía para comprender los procesos de
conducción en materiales semiconductores.
c) Capacidades 1. Identifica y analiza los procesos de conducción en semiconductores
intrínsecos.
2. Analiza y describe los procesos de conducción en semiconductores dopados.
3. Analiza y clasifica los procesos de conducción a través de una unión P-N.
4. Analiza la intensidad de corriente de un diodo en función del voltaje aplicado.
d) Actitudes
Valora a los materiales semiconductores como la base de los circuitos
electrónicos en la actualidad.
Actitud emprendedora y crítica para el desarrollo de los trabajos.
e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 2: Física de los Semiconductores comprende el
desarrollo de los siguientes temas:
Tema 01: Semiconductores intrínsecos
Tema 02: Semiconductores dopados tipo P y tipo N
Tema 03: Unión P-N: el diodo
Tema 04: El Modelo matemático de un diodo
40
TEMA 1
Competencia:
Identifica y Analiza los procesos de conducción en semiconductores intrínsecos
Semiconductores
Intrínsecos
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
41
Desarrollo de los Temas
Tema 01: Semiconductores Intrínsecos
Semiconductores intrínsecos Los principales materiales que presentan propiedades semiconductoras
son elementos simples, como el silicio (Si) y el germanio (Ge).
Estos elementos son tetravalentes, es decir, tienen cuatro electrones de valencia, y
forman enlaces covalentes en los que comparten estos electrones con los átomos
vecinos. La banda prohibida que separa la banda de valencia y la de conducción en
estos elementos es muy pequeña, por lo que si se aporta una pequeña cantidad de
energía (con calor, luz o aplicando un voltaje) los electrones de la banda de valencia
pasan a la banda de conducción y el material podrá conducir la corriente eléctrica.
Este tipo de conducción se denomina conducción intrínseca y es necesario aportar
energía al semiconductor para que se produzca.
Figura 1.1. En silicio (Si) cada
átomo está unido a otros cuatro
átomos compartiendo sus
electrones de valencia. Al
aplicarle energía externa, ya sea
de calor o de luz, es posible
liberar electrones hacia la banda
de conducción, los cuales pueden
producir una corriente eléctrica.
Aunque los primeros componentes electrónicos se fabricaron con germanio, en la
actualidad el semiconductor más utilizado es el silicio, debido a sus mejores
características y a su capacidad para soportar mejor altas temperaturas. En los
últimos años, el desarrollo de la electrónica ha llevado a la obtención de
materiales compuestos con propiedades semiconductoras, como el
arseniuro de galio (GaAs) o el fosfuro de indio (InP). No obstante, su uso
es limitado, y el silicio es el semiconductor más importante.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
42
Portadores de carga: los huecos Como hemos visto, la excitación de un electrón a la banda de conducción implica
la ruptura de un enlace en algún punto del sólido cristalino, donde a su vez se
origina un estado vacante que representa la ausencia de un electrón, lo cual
equivale a una carga positiva de magnitud igual a la del electrón. Este estado
vacante puede considerarse como un hueco positivo, el cual posee movilidad
en el interior del sólido. De manera gráfica, la movilidad de los huecos se explica
si se tiene en cuenta que los electrones que se encuentran en enlaces próximos
saltan a este hueco, dejando a tras un nuevo hueco. Este proceso da lugar a un
desplazamiento del hueco en sentido opuesto al electrón que efectúa el salto.
Esta característica de los estados vacantes, denominados también huecos, permite
considerarlos como partículas inmersas en un mar de electrones de enlace dentro
de la banda de valencia. A la temperatura ambiente, solamente un electrón de cada
1012 de la banda de valencia, en el caso del silicio, rompe su enlace de excitación
térmica para pasar a la banda de conducción, dejando el correspondiente estado
vacante.
A partir de estos hechos se desprende la importancia del hueco como entidad, con un
comportamiento similar al de los electrones que se mueven en la banda de
conducción. Tal es así que, desde el punto de vista cuantitativo, el hueco puede
considerarse como una partícula que posee carga igual a la del electrón pero de signo
positivo. Debido a ello, los huecos pueden moverse por la acción de un campo
eléctrico externo. Incluso es posible asociar a los huecos una masa, denominada
masa efectiva. Estas características hacen que tanto los huecos como los electrones
de un semiconductor intrínseco sean denominados indistintamente portadores de
carga o portadores intrínsecos.
Figura 1.2. El estado
vacante de un electrón
puede considerarse como
un hueco positivo, el cual
tiene movilidad, contrario al
movimiento de los
electrones.
Electrón
Hueco
El hueco se mueve
Banda de valerncia
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
43
EP =-1,14eV
-1,15eV
-1,22eV
-1,28eV
EC= -0,04eV
-0,03eV
-0,02eV
-0,01eV
Energía
Eg =1,10eV
E =1,10eV
Banda de conducción
Banda de valencia E =1,19eV
Electrón
Hueco
Esquema de bandas de energía de un semiconductor
En el esquema de bandas de energía, la escala vertical representa la energía total, E,
de los niveles electrónicos en la banda de valencia o de conducción. En este
esquema, el valor Eg corresponde a la energía de la banda prohibida Figura3.
A modo de ilustración, en la Figura 1.3 se muestra un esquema de bandas de energía,
de un material semiconductor, donde la banda de energía prohibida tiene un valor Eg =
1,10 eV. Si un electrón de la banda de valencia, se excita, y por ejemplo absorbe1,10
eV, este saltará al primer nivel de la banda de conducción y dejara un hueco positivo,
y si absorbe 1,11eV, el excedente de energía se convertirá en energía cinética, en
este caso Ecinetica = 1,11eV – 1,10eV = 0,01eV. También puede ocurrir que el electrón
absorba, por ejemplo, 1,19 eV y los electrones de valencia del nivel E= -1,22eV, saltan
al nivel E = -0,03 eV de la banda de conducción.
Figura 1.3. Esquema de las bandas de energía de un semiconductor excitado, los
electrones de lavanda de valencia absorben energía y saltan a la banda de
conducción.
Pregunta
Utilizando el esquema de la Figura 1.3,
¿Cuánta energía requiere el electrón de valencia ubicado en el nivel de energía E = -1,15eV, para que pueda pasar al nivel E = -0,02 eV de la banda de conducción? Rpta. 1,13 eV.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
44
Conducción de un Semiconductor
Los portadores de carga, tanto los electrones en la banda de conducción como los
huecos en la banda de valencia pueden participar en los procesos de conducción.
Lo único que hace falta es un campo eléctrico capaz de ejercer fuerza sobre
portadores de cargas y ponerlas en movimiento. Este campo eléctrico puede ser
generado por la diferencia de potencial de una batería.
Consideremos un material semiconductor en forma de barra al cual aplicamos una
diferencia de potencial (∆𝑉)por lo tanto un campo eléctrico( ). Esta diferencia de
potencial produce una caída en los niveles de energía de las bandas de valencia y
de conducción igual a (𝑞∆𝑉). En un esquema de bandas de energía, esto implica
que las líneas que representan los niveles de energía deben dibujarse inclinadas,
según se indica en la Figura 4. Además, si el semiconductor es homogéneo, la
magnitud del campo eléctrico, en su interior asociado a la diferencia de potencial,
está dado por 𝐸 = 𝛥𝑉/𝑙 . Esto quiere decir que la pendiente de las bandas de
energía, coincide con la magnitud del campo eléctrico.
Debido a la acción del campo eléctrico, los electrones en la banda de conducción
se desplazan en dirección opuesta al campo eléctrico. Y si en la banda de valencia
hay huecos, los electrones se desplazan saltando por estos huecos, lo que se
traduce a un desplazamiento del hueco en la misma dirección del campo eléctrico.
Figura 1.4. Esquema de bandas de energía de un semiconductor sometido a un
campo electrico.
qΔV
Movimiento de
huecos
Movimiento de
electrones
Electrón
Hueco
Campo eléctrico
Banda de conducción
Banda de valencia
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
45
En un semiconductor que se encuentra en equilibrio térmico a una temperatura dada,
existe un proceso continuo de excitación de electrones desde la banda de valencia a la
de conducción. En este proceso se rompe un enlace y se crea un hueco en la banda
de valencia, a su vez los electrones de la banda de conducción se desexcitan y pasan
a ocupar el nivel vacante de la banda de valencia, con lo que desaparece el hueco. De
todo esto se desprende que en un semiconductor intrínseco, en equilibrio térmico, la
concentración de electrones presentes en la banda de conducción Ne debe ser igual a
la de huecos en la banda de valencia, Nh, es decir Ne = Nh, Figura 1.5.
Figura 1.5. En estado de equilibrio la concentración de
electrones, en la banda de conducción, es igual a la
concentración de huecos, en la banda de valencia.
Cuando un semiconductor intrínseco se calienta se produce una excitación térmica, los
electrones de enlace ganan energía de la red y pasan a la banda de conducción,
dejando estados vacantes o huecos en la banda de valencia.
La concentración de portadores de carga (electrones o huecos) intrínsecos (Ni)
depende de la temperatura, Figura 1.6. A mayor temperatura del sólido cristalino
mayor esl la concentración de portadores. El valor de Ni también depende del valor de
la energía de la banda prohibida, Eg, ya que cuanto menor sea Eg mayor es el número
de electrones que tiene energía suficiente para pasar desde la banda de valencia a la
banda de conducción a una temperatura dada.
Banda de conducción
Banda de valencia
Electrón
Hueco
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
46
La energía de Fermi en los Semiconductores Intrínsecos
En los semiconductores intrínsecos la energía de Fermi (EF) se ubica
aproximadamente entre la energía del mayor nivel de la banda de valencia (EV) y
la energía del menor nivel de la banda de conducción (EC).
Teniendo en cuenta la función de probabilidad de Fermi-Dirac, la probabilidad de
encontrar niveles de energía, ocupados en la banda de conducción, es muy
pequeña y la probabilidad de encontrar electrones en la banda de valencia es
muy alta. Como el ancho de la banda de energía prohibida es muy pequeño,
entonces muchos electrones se excitan térmicamente de la banda de valencia a
la banda de conducción, y la aplicación de un pequeño
voltaje puede aumentar con facilidad la temperatura de los
electrones en la banda de conducción, produciéndose una
corriente moderada. La conductividad de los
semiconductores depende mucho de la temperatura y se
incrementa con ésta. En contraste con la conductividad de
los metales, que disminuye con la temperatura.
Figura 1.6. Concentración de portadores de carga intrínsecos (electrones o huecos)
en función de la temperatura, para el germanio (Ge), silicio (Si) yb arseniuro de galio
(GaAs). La concentración de portadores de carga aumenta con la temperatura.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
47
Figura 1.7. En un semiconductor intrínseco la energía de Fermi se ubica en la
mitad de la banda prohibida, entre las energías EC y EV.
EJE
MP
LO
1
La energía de Fermi de cierto semiconductor EF = -0,59 eV. La banda de
valencia tiene un nivel de máxima energía EV = - 1,14 eV y la banda de
conducción tiene un nivel de mínima energía EC = 0,04 eV. Determinar la
probabilidad de encontrar ocupado el nivel de mínima energía de la banda
de conducción, a T = 300K.
1. Calculamos el exponente:
𝑬 − 𝑬𝑭
𝒌𝑻=
(−𝟎, 𝟎𝟒𝒆𝑽) − (−𝟎, 𝟓𝟗𝒆𝑽)
(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟐𝟏. 𝟐𝟕
2. Utilizamos este resultado para calcular la probabilidad de Fermi:
𝑭 =𝟏
𝟏 + 𝒆𝑬−𝑬𝑭
𝒌𝑻
=𝟏
𝟏 + 𝒆𝟐𝟏,𝟐𝟕= 𝟓, 𝟕𝟗 × 𝟏𝟎−𝟏𝟎 ≈ 𝟎%
Hazlo tú
Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima energía
de la banda de valencia EV = - 1,14 eV, es del 99,99%.
EP =-1,14eV
EC= -0,04eV
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
EF= -059eV
48
TEMA 2
Semiconductores Dopados
Tipo P y Tipo N
Competencia:
Analiza y describe los procesos de conducción en semiconductores dopados.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
49
Tema 02: Semiconductores Dopados Tipo P y Tipo N
Los semiconductores intrínsecos presentan una conductividad muy baja, por lo
que se han buscado métodos para aumentar su valor. Esto ha dado lugar al
desarrollo de los semiconductores extrínsecos o dopados.
Semiconductor tipo N
Se puede conseguir que un material semiconductor se convierta en conductor
introduciendo impurezas en el material, mediante un proceso denominado
dopado. Las impurezas en el material semiconductor aportan con un exceso de
electrones de valencia, los cuales pueden pasar fácilmente, a la temperatura
ambiente, a la banda de conducción, produciéndose una conducción extrínseca.
Figura 2.1. Estas impurezas se denominan impurezas donadoras, y el material
obtenido, semiconductor tipo N (negativo).
Figura 2.1. El silicio (Si) se dopa con pequeñas cantidades de
fósforo (P), que tiene cinco electrones de valencia y, por tanto,
un electrón de más. Los electrones sobrantes pasan a la
banda de conducción y se encargan de conducir la corriente
eléctrica.
En el esquema de bandas de energía, esta situación se representa mediante el paso
del electrón desde un cierto nivel de energía donante (Ed) a la banda de conducción.
El nivel de energía Ed, correspondiente al enlace con la impureza, se sitúa en el
interior de la banda prohibida, a unas centésimas de electronvoltios (eV) de energía,
por debajo del nivel de energía de la banda de conducción más baja, Ec, Figura 2.2.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
50
Figura 2.2.Esquema de banda de energía de un
semiconductor dopado con fósforo. El enlace del silicio
(Si) con el fósforo (P), genera un nivel de energía (Ed) muy
próximo a la banda de conducción.
Semiconductor Tipo P De forma análoga, también se puede introducir impurezas con menos electrones de valencia que el material semiconductor base. En este caso la impureza aporta con un hueco. La presencia de estos huecos también facilita la conducción de la corriente eléctrica, pues permiten el desplazamiento de los electrones. Estas son impurezas aceptadoras, y el material obtenido se denomina semiconductor tipo P (positivo), Figura 2.3.
Figura 2.3. El silicio (Si) se dopa con impurezas de boro (B) que tiene tres electrones
de valencia y, por tanto, un electrón de menos, es decir un hueco. La presencia de
huecos en la red origina que el material sea un buen conductor.
Banda de conducción
Banda de valencia
Ed
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
51
En el esquema de bandas de energía, esta situación se representa mediante el
paso del electrón desde el nivel de energía superior de la banda de valencia (EV)
hasta un cierto nivel de energía aceptadora (EA). El nivel de energía EA,
correspondiente al enlace con la impureza, se sitúa en el interior de la banda
prohibida, a unas centésimas de electronvoltios (eV) de energía, por encima del
nivel de energía superior al de la banda de valencia, EA, Figura 2.4.
Figura 2.4. Esquema de banda de energía de un
semiconductor dopado con boro (B). El enlace del
silicio (Si) con el fósforo (B), genera un nivel de
energía (EA) muy próximo a la banda de valencia.
En general, los semiconductores dopados presentan una concentración de
portadores extrínsecos (electrones o huecos), mucho mayor que la concentración de
portadores intrínsecos, esto origina que la conductividad eléctrica en los
semiconductores dopados sea mayor que la de los semiconductores intrínsecos. Por
este motivo, en la fabricación de dispositivos electrónicos se utiliza principalmente
semiconductores extrínsecos (silicio tipo P y silicio tipo N).
Ley de Acción de Masas
La ley de masas afirma que un semiconductor dopado, tipo N o tipo P a una cierta
temperatura T, la concentración (Ne) de portadores carga negativa (electrones) en
la banda de conducción es inversamente proporcional a la concentración (Nh) de
portadores de carga positivos (huecos) en la banda de valencia, donde la
constante de proporción es la concentración de portadores de carga del
semiconductor intrínseco (Ni).
Banda de conducción
Banda de valencia
EA
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
52
𝑵𝒆 × 𝑵𝒉 = 𝑵𝒊𝟐 ……(1)
Cuando un semiconductor puro se dopa con una concentración de impurezas
donadoras Nd, a una temperatura dada, en equilibrio térmico, la concentración de
electrones se equipara a la concentración de impurezas donadoras, Ne = Nd, de tal
manera que la concentración de huecos disminuye. Este hecho hace que la
conducción en los semiconductores tipo N, este dado exclusivamente por los
electrones. De forma análoga, cuando un semiconductor puro se dopa con una
concentración de impurezas aceptoras Na, a una temperatura dada, en equilibrio
térmico, la concentración de huecos se equipara a la concentración de impurezas
aceptoras, Nh = Na, de tal manera que la concentración de electrones disminuye.
Este hecho hace que la conducción en los semiconductores tipo P, este dado
exclusivamente por lo huecos.
EJE
MP
LO
2
A temperatura ambiente (T = 300 K), el silicio tiene una concentración de
portadores intrínseco Ni = 1,45×1010 cm-3. Si al silicio puro se le añade una
concentración de impurezas donadoras, Nd = 1×1014 cm-3, determinar la
concentración de huecos en la banda de valencia.
1. Debes tener en cuenta que la concentración de electrones iguala a la
concentración de las impurezas.
𝑵𝒆 ≈ 𝑵𝒅 ≈ 𝟏 × 𝟏𝟎𝟏𝟒𝐜𝐦−𝟑
2. Reemplazando este resultado en la ley de masas, para calcular la
concentración de huecos.
𝑵𝒉 =𝑵𝒊
𝟐
𝑵𝒆=
(𝟏, 𝟒𝟓 × 𝟏𝟎𝟏𝟎)𝟐
𝟏 × 𝟏𝟎𝟏𝟒= 𝟐, 𝟏 × 𝟏𝟎𝟔𝐜𝐦−𝟑
Hazlo tú
El arsenuro de galio (GaAs) tiene una concentración de portadores intrínsecos
Ni = 1,79×106 cm-3 y se dopa con una impureza aceptora con una
concentración de , Na = 1×1014 cm-3, verifica que la concentración de
electrones es concentración de 0,032 electrones/cm3
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
53
La energía de Fermi en los Semiconductores Dopados
Hemos visto que en los semiconductores intrínsecos la energía de Fermi se ubica
en la mitad de la banda prohibida, en el caso de los semiconductores extrínsecos
o dopados la energía de Fermi depende de la concentración de la impureza
dopadora y de la temperatura. En la Figura 2.5, se muestra la energía de Fermi,
representada por las curvas con diferentes colores entre las energías de la banda
de valencia (EV) y la banda de conducción (EC). También se puede observar que
cualquiera sea la concentración de las impurezas, cuando la temperatura aumenta
la energía de Fermi tiende a ubicarse en la mitad de la banda prohibida.
Figura 2.5. La energía de Fermi (EF), representadas por las curvas de colores, en
función de la concentración de las impurezas donadoras y aceptoras y de la
temperatura.
Para semiconductores tipo N, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la banda
de conducción, de acuerdo a la distribución de Fermi-Dirac , significa que existe
una mayor probabilidad de encontrar electrones en la banda de conducción que
huecos en la banda de valencia.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
54
Figura 2.6. En un semiconductor tipo N, la energía de Fermi se
ubica muy cerca de la banda de conducción.
Para semiconductores tipo P, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la banda
de valencia. De acuerdo a la distribución de Fermi-Dirac, significa que existe una
gran probabilidad de encontrar muchos estados vacantes o huecos en la banda de
valencia y poca probabilidad de encontrar electrones en la banda de conducción.
|
Figura 2.7. En un semiconductor tipo N, la energía de Fermi se ubica muy cerca de la
banda de conducción.
EP =-1,14eV
EC= -0,04eV
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
EF
EV=-1,2eV
EC= -0,1 eV
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
EF
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
55
Figura 2.8. Esquema comparativo de los niveles de energía de Fermi en un semiconductor tipo N y tipo P.
EJE
MP
LO
3
La energía de Fermi de cierto semiconductor tipo N, es EF = -0,2 eV. La banda de
valencia tiene un nivel de máxima energía EV = - 1,2eV y la banda de conducción
tiene un nivel de mínima energía EC = -0,1eV. Determinar la probabilidad de
encontrar ocupado el nivel de mínima energía de la banda de conducción, a T =
300K.
1. Calculamos el exponente:
𝑬 − 𝑬𝑭
𝒌𝑻=
(−𝟎, 𝟏𝒆𝑽) − (−𝟎, 𝟐𝒆𝑽)
(𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝒆𝑽/𝑲)(𝟑𝟎𝟎𝑲)= 𝟑, 𝟖𝟕
2. Utilizamos este resultado para calcular la probabilidad de Fermi:
𝑭 =𝟏
𝟏 + 𝒆𝑬−𝑬𝑭
𝒌𝑻
=𝟏
𝟏 + 𝒆𝟑,𝟖𝟕= 𝟎, 𝟎𝟐𝟎 = 𝟐%
Hazlo tú
Verifica que la probabilidad de encontrar ocupado el nivel de máxima energía de
la banda de valencia EV = - 1,2 eV, es del 98%.
56
TEMA 3
Competencia:
Analiza y clasifica los procesos de conducción a través de una unión P-N
Diodo El
P – N: Unión
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
57
Tema 03: Unión P - N: El Diodo
Unión P-N sin Polarización Externa o sin Conexión a una Batería
Cuando un semiconductor tipo P se une con semiconductor tipo N, para formar
una unión P-N o diodo P-N, a una cierta temperatura, la diferencia de
concentración de electrones y huecos entre las zonas N y P, origina que los
electrones de la zona N pasan a la zona P y los huecos de la zona P pasan a la
zona N.
En la unión los electrones que van llegando a la zona P generan un campo
eléctrico que se opone cada vez más a que otros electrones pasen, hasta que se
alcanza un estado de equilibrio en el cual no pasan más electrones. En este
estado de equilibrio la unión queda cargada con una concentración de cargas
negativas en la zona P y una concentración de cargas positivas en la zona N. El
campo eléctrico que logra equilibrar al proceso de difusión y evita que los
electrones pasen de una zona a otra, tiene asociado una diferencia de potencial o
voltaje llamado Voltaje de contacto o Barrera de potencial. El voltaje de
contacto a 25 ºC, es de 0,3 V para unión P-N de germanio (Ge) y 0,7 V para unión
de silicio (Si).
Figura 3.1. Esquema que muestra qué ocurre en una unión P-N. Los electrones
libres de la zona N, pasan a ocupar los huecos de la zona P, de modo que en la
unión la zona P se carga negativamente y la zona N se carga positivamente.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
58
En equilibrio, cuando electrones y huecos no pasan de una zona a otra, se puede
dividir la unión en tres regiones semiconductoras. Dos regiones neutrales y una
región de agotamiento o zona de carga.
|
Figura 3.2. En equilibrio térmico la unión P-N, está dividido en tres regiones. En la
región de agotamiento hay un campo eléctrico interno (E) que tiene un valor
máximo en la unión, en esta misma región hay un voltaje de contacto (ΔV).
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
59
Figura 3.3. Interpretación de la difusión de los electrones de la zona N a la zona P,
usando un esquema de bandas.
Figura 3.4. (a) Esquema de una unión P-N, (b) símbolo usado en circuitos y (c) diodo,
componente que posee una unión P-N
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
60
Unión P N con polarización externa directa o conectado a una batería en forma directa
Se dice que una unión P-N está sujeto a una polarización externa directa
cuando se conecta a una batería, de tal modo que el polo positivo de la batería se
conecta con la zona P y polo negativo con la zona N, tal como se muestra en la
Figura 3.5.
Cuando el voltaje de la batería es mayor que el voltaje de contacto en la unión
(mayor que 0,3V para la unión P-N de germanio) los electrones libres del cristal N,
son empujados para saltar a los huecos del cristal P, atravesando la región de
agotamiento. De modo que se establece un flujo de electrones desde el polo
negativo hacia el polo positivo de la batería.
Figura 3.5. Diodo P-N con polarización externa directa con una batería.
Por convención el sentido de la corriente eléctrica es contrario al flujo de
los electrones, por eso en la figura 5, la corriente se ha dibujado de modo
que circula contrario al flujo de electrones.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
61
Unión P N con polarización externa inversa
Se dice que una unión P-N está sujeto a una polarización externa inversa
cuando el polo negativo de la batería se conecta a la zona P y el polo positivo
a la zona N. En este el polo negativo de la batería atrae a los huecos y el polo
positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se
alejan de la unión y la zona de agotamiento o zona de carga se ensancha,
hasta que en un instante dado el voltaje de contacto logra equilibrar al voltaje
de la batería y los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión, Figura
3.6.
En esta situación, el diodo P-N no debería conducir la corriente; sin embargo,
debido al efecto de la temperatura se forman pares electrón-hueco a ambos
lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 10 -12 A)
denominada corriente inversa de saturación (Is). Además, existe también
una denominada corriente superficial de fugas (If) la cual, como su propio
nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya
que en la superficie los átomos de silicio no están rodeados de suficientes
átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener
estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la
zona N como de la P, tengan huecos en su orbital de valencia con los que los
electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, esta puede ser
despreciable.
Figura 3.6. Diodo P-N con polarización externa inversa. En estas condiciones
existe una corriente inversa muy pequeña, muchas veces despreciable.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
62
El diodo P-N en un circuito
Cuando un diodo P-N está en polarización directa deja pasar al corriente del
polo positivo al polo negativo, esto significa que el diodo actúa como un
interruptor cerrado, dejando pasar la corriente, Figura 3.7. Cuando el diodo P-N,
está en polarización inversa deja pasar una corriente inversa muy pequeña
desde el polo negativo al polo positivo, esto significa que el diodo actúa como un
interruptor abierto, Figura 3.8.
Figura 3.7. (a) Símbolo de un diodo con polarización directa equivalente un interruptor
cerrado. (b) Al conectar un diodo en forma directa actúa como interruptor cerrado
dejando pasar la corriente y el foquito se enciende.
Figura 3.8. (a) Símbolo de un diodo con polarización inversa equivalente a un
interruptor abierto (b). Al conectar un diodo en forma inversa actúa como interruptor
abierto, no pasa corriente y por eso el foquito no se enciende.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
63
Curva característica de una unión P-N
Como hemos mencionado, cuando un diodo P-N se conecta en forma directa a
una batería este deja pasar la corriente, esta intensidad de corriente (Ii) aumenta
conforme aumenta el voltaje aplicado por la batería (V) , pero si conectamos la
batería en forma inversa este deja pasar un corriente inversa (Iinv) que es muy
pequeña, del orden de ~ 10-12 A. Este hecho se puede representar en un gráfica
corriente vs voltaje aplicado por la batería, Figura 3.9.
Figura 3.9. Curva característica de un diodo P-N sometido a un voltaje o
polarización externa. En la conexión directa la corriente aumenta
conforme aumenta el voltaje externo aplicado. En la conexión inversa la
corriente inversa aumenta hasta llegar a un valor de saturación (-Iinv).
«El signo negativo en la intensidad de corriente inversa (-
Iinv) indica que la corriente circula del polo negativo al polo
positivo de la batería»
Iinv~ 10-12 A
I(A)
ΔV(voltios)
64
TEMA 4
El Modelo Matemático
de un Diodo
Competencia:
Analiza la intensidad de corriente de un diodo en función del voltaje aplicado.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
65
Tema 04: El Modelo Matemático de un Diodo
El Modelo De Shockley
El modelo matemático de un diodo es la ecuación que relaciona la intensidad de
corriente en el diodo. Figura 3.10, el modelo más empleado es el de Shock ley (en
honor a William Bradford Shock ley) que permite aproximar el comportamiento del
diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de
corriente y la diferencia de potencial es:
𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣(𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑻 − 1)
Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo (amperios)
V es el voltaje en los extremos del diodo (voltios).
VT es el voltaje térmico (voltios).
Iinv. es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)
n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación
del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden
de 2 (para el silicio).
El voltaje térmico VT para cada temperatura está definido como:
𝑉𝑻 = 𝑐 𝑇
Donde:
c = 8,62×10-5V/K constante de proporción
T = es la temperatura absoluta de unión P-N
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
66
Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1
de la ecuación, quedando como resultado:
𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣 𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑻
EJE
MP
LO
3
Un diodo hecho de silicio tiene una corriente inversa de saturación
2,00 nA y el coeficiente de emisión de este diodo n = 2,20. Determina la
intensidad de corriente que circulara por el diodo en conexión directa
cuando se conecta a un voltaje externo de 1,20V, a la temperatura de
300K.
Resolución
1. Calculamos el voltaje térmico:
𝑽𝑻 = 𝒄 𝑻 = (𝟖, 𝟔𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓𝑽/𝑲) (𝟑𝟎𝟎𝑲) = 𝟎,𝟎𝟐𝟓𝟖𝟔 𝑽
2.Calculamos la razón:
𝑽
𝒏𝑽𝑻=
𝟏, 𝟐𝟎𝑽
𝟐, 𝟐𝟎 × 𝟎, 𝟎𝟐𝟓𝟖𝟔𝑽= 𝟐𝟏, 𝟏
3. Calculamos la intensidad de corriente usando la ecuación de Shockley:
𝑰 = 𝑰𝒊𝒏𝒗(𝒆𝑽/𝒏𝑽𝑻 − 𝟏)
𝑰 = (𝟐𝒏𝑨)(𝒆𝟐𝟏,𝟏 − 𝟏)
𝑰 = (𝟐 × 𝟏𝟎−𝟗)(𝒆𝟐𝟏,𝟏 − 𝟏)
𝑰 = 𝟐, 𝟗𝟏𝑨
Hazlo tú
Un diodo de germanio con una corriente de saturación de 2,00 µA y un
coeficiente de emisión n = 1,2. Verifica que la intensidad de corriente a
través del diodo cuando se conecte a un voltaje externo directo de 0,5
V a la temperatura de 300K, es igual a 19,84 A.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
67
Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean
modelos más simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del
diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-
señal. El más simple de todos es el diodo ideal.
El efecto Zener
Cuando un diodo se conecta de forma inversa, y el voltaje externo aumenta en
cantidades muy grandes, la corriente inversa aumenta levemente hasta alcanzar
un voltaje determinado, muy grande, conocido como voltaje de ruptura (VR)
donde ocurre un proceso de avalancha y la corriente inversa se hace muy intensa.
El proceso de avalancha ocurre cuando los electrones en la unión P-N adquieren
la suficiente energía del campo eléctrico, que al colisionar con electrones de
valencia estos saltan a la banda de conducción, de modo que se producen huecos
adicionales y un mayor número de electrones en la banda de conducción, y la
corriente inversa aumenta hasta valores muy grandes.
La curva característica de un diodo en general está dada en la Figura 4.1. La parte
de la curva en la cual los valores de la intensidad de corriente y el voltaje
representan el comportamiento del diodo en polarización directa, mientras que los
valores negativos representan la polarización inversa. En polarización directa,
según va aumentando el voltaje, existe pequeño tramo en el cual la corriente es
muy pequeña, casi nula, hasta un valor VK, conocido como voltaje de codo, a partir
del voltaje de codo la corriente aumenta conforme aumenta el voltaje hasta llegar
a una voltaje en el cual el diodo se quema.
Figura 4.1. Curva característica de un diodo P-N sometido a un voltaje externo. En
polarización directa el voltaje codo es de 0,5V. En polarización inversa, el voltaje
de ruptura es de aproximadamente VR = 0,3V.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
68
El efecto Tunnel
En 1958 Esaki mostró que en la unión P-N de dos semiconductores tipo P y
tipo N con grandes concentraciones de impurezas podrían causar un efecto
túnel de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la
unión, cuando son conectados en polarización directa.
La curva característica de estos tipos de diodos P-N, presenta una región en
la cual la intensidad de corriente aumenta y disminuye conforme el voltaje
aumenta, Figura 4.2.
Aquí se muestra que para pequeños voltajes (V ≈ 0,3 V) los electrones de la
banda de conducción de la zona N logran cruzar la región de agotamiento
hacia la banda de valencia de la zona P, mediante un proceso cuántico
denominado efecto túnel .
Figura 4.2. Curva característica de un diodo P-N túnel.
Efecto túnel según la mecánica cuántica
La mecánica cuántica justifica el hecho de que existe una pequeña
probabilidad que los electrones puedan pasar de un nivel de energía menor a
otro de energía mayor aun cuando no se disponga de la suficiente cantidad de
energía para dar este salto. El fenómeno cuántico es llamado efecto túnel.
I(A
)
V(voltios)
Curva de
diodo normal Ipico
Ivalle
Vvallec≈0,3 V
Polarización
directa
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
69
Lecturas Recomendadas
VÍDEO: “SEMICONDUCTORES” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=rm8V7aBWvXM
VÍDEO: “LA MANUFACTURA DE UN SEMICONDUCTOR: TEXAS INSTRUMENT” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=YroyIXq2Iz0
LECTURA: “LECCIONES DE ELECTRÓNICA” http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp
http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pagina_diodo/diodo.htm
1.- Ingresa al siguiente link: “SEMICONDUCTORES” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
siguientes links, descarga la información relacionada con los
semiconductores.
a) Informate 1
b) Informate 2
Realiza una presentación en Power Point sobre los
semiconductores intrínsecos y los semiconductores dopados, como máximo 16
diapositivas. publica tu presentación en:
www.slideshare.net
Envía la dirección de tu publicación a tu profesor.
Importante: En tus presentaciones, haz referencia a la fuente de información de
donde has obtenido las imágenes. Esto demostrará que has realizado una buena
investigación.
Actividades y Ejercicios
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
70
2.- Ingresa al siguiente link: “UNION P-N” lee atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Ingresa a la siguiente página web y explora los applets mostrados, luego
redacta en un documento en MS Word explicando lo que muestra cada applet,
dos páginas por cada uno. Utiliza imágenes en tu explicación.
http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/3.Union_
PN_en_equilibrio_y_polarizada/Applet3.html
http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/4.La_ley
_de_Shockley/Applet4.html
http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/Applet3/
DiodoConmutaApplet.html
Suscríbete y Publica tu trabajo en : http://es.scribd.com/
Envía la dirección de tu publicación a tu profesor
1. Ingresa al siguiente link: “CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO” lee
atentamente las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Indaga en el Internet sobre la curva característica de un diodo zener y un
diodo tunel. Luego en una hoja de MS Word, describe las partes de esta
gráfica.
Suscríbete y publica tu trabajo en : http://es.scribd.com/
Envía la dirección de tu publicación a tu profesor
Los applets son animaciones interactivas, para que puedas
visualizar estas aplicaciones es necesario tener actualizada java en
tu computador, descárgalo gratis en www.java.com
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
71
Autoevaluación
1) Seleccione la afirmación INCORRECTA
a. Un hueco es un portador de carga positivo y tiene movilidad en la banda
de valencia.
b. En un semiconductor intrínseco en equilibrio térmico la concentración de
electrones y huecos son iguales
c. Cuando un semiconductor se calienta la concentración de portadores de
carga, electrones y huecos aumentan.
d. El Fósforo es un semiconductor intrínseco
e. La energía de Fermi en un semiconductor está en el medio de la banda
prohibida.
2) Si en un semiconductor intrínseco la banda prohibida tiene un ancho de 3,04
eV, y la banda de conducción, de menor energía, tiene, -0,01 eV, determinar
la mayor energía en la banda de valencia y cuánto vale la energía de Fermi,
respectivamente.
a. -3,05 eV; -1,53 eV
b. -3,03 eV; -1,51 eV
c. -3,03 eV; -1,53 eV
d. -3,05 eV; -1,51 eV
e. -3,04 eV; -1,52 eV
3) De acuerdo a la función de distribución de Fermi-Dirac, existe una mayor
probabilidad de encontrar un electrón en:
a. La banda de valencia
b. La banda prohibida
c. La banda de conducción
d. La banda prohibida y en la banda de valencia
e. La banda prohibida y en la banda de conducción
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
72
4) En la figura se muestra una red de átomos de silicio dopado con antimonio
(Sb). Indicar verdadero (V) o falso (F) sobre las siguientes afirmaciones:
I. El antimonio (Sb) actúa como una
impureza aceptora.
II. El semiconductor extrínseco es tipo N.
III. Los electrones del antimonio pueden
saltar fácilmente a la banda de
conducción.
a. VVV
b. FFF
c. FVV
d. VFF
e. FVF
5) Seleccione la afirmación CORRECTA
a. En los semiconductores tipo P la energía de Fermi está cerca de la
banda de conducción.
b. En los semiconductores tipo N, la energía de Fermi está cerca de la
banda de valencia.
c. Según la distribución de Fermi-Dirac en los semiconductores tipo N existe
una mayor probabilidad de encontrar huecos en la banda de valencia que
electrones en la banda de conducción.
d. En un semiconductor tipo N cuando la temperatura aumenta la energía
de Fermi tiende al valor del semiconductor intrínseco
e. Cuando el silicio se dopa con boro se obtiene un semiconductor tipo N.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
73
6) Cuando dos semiconductores tipo P y tipo N se ponen en contacto, entonces
es INCORRECTO afirmar:
a. Los electrones de la zona N pasan a la zona P
b. Los electrones pasan de la zona P pasan a la zona N.
c. Aparece un campo eléctrico que aguanta a los electrones en la zona P.
d. Aparece un voltaje de contacto muy pequeño.
e. Los huecos pasan de la zona P a la zona N.
7) Cuando un diodo o unión P-N se conecta foquito y estos se conectan en
forma directa a un voltaje externo, como el de una batería, entonces es
CORRECTO afirmar:
a. El diodo no deja pasar la corriente y el foquito permanece apagado.
b. El polo positivo de la batería está conectado con la zona N del diodo.
c. El diodo actúa como un cable abierto.
d. Aparece una contracorriente muy pequeña que es insuficiente para
encender el foquito.
e. El diodo deja pasar la corriente y el foquito se enciende.
8) En la figura se muestra la corriente en función del voltaje al cual es
conectado un diodo, esta curva se denomina:
a. Curva inversa
b. Curva de corte
c. Curva característica
d. Curva de ruptura
e. Curva directa
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
74
9) El modelo matemático que mejor representa la curva característica de un
diodo, sin tener en cuenta la zona de ruptura, está dado por:
a. Las ecuaciones de Kirchhoff
b. La ecuación de Shockley
c. La ecuación de Ohm
d. La ecuación de Newton
e. La ecuación de Pauli
10) Marque la alternativa correcta; verdadero (v) ó falso (f) según corresponda:
I. Cuando un diodo con polarización inversa es sometido a un voltaje alto,
ocurre el efecto Zener.
II. El efecto Zener consiste en el paso de una avalancha de electrones
produciéndose una corriente inversa muy intensa.
III. En los diodos Tunel, los electrones de valencia atraviesan la banda
prohibida con muy poca energía produciéndose una mayor intensidad de
corriente en pequeños cambios de voltaje.
IV. En los diodos Tunel, se produce un pico de intensidad de corriente para
voltajes muy pequeños, del orden de 0,3V.
a. VVFF
b. FFVV
c. FFFF
d. VVVV
e. VVVF
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
75
Resumen
UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIII::
Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o
como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo
eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del
ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de
la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. El Semiconductor intrínseco tiene
Materiales como el Germanio (Ge) o el Silicio (Si), donde los electrones de la banda
de valencia saltan a la banda de conducción, por acción de calor, luz o voltaje.
Debido a ello se produce una corriente intrínseca. La energía de Fermi se encuentra
en el medio de la banda prohibida.
Semiconductor extrínseco tipo N es un Semiconductor como el Silicio (Si) que es
tetravalente y se dopa con una impureza donadora como el Fósforo (P) que es
pentavalente. La impureza dona electrones a la banda de conducción y se vuelve un
buen conductor de electrones. Semiconductor extrínseco tipo P.- Semiconductor
como el Silicio (Si) que es tetravalente y se dopa con una impureza aceptadora
como el Boro (B) que tiene tres electrones de valencias. La impureza acepta
electrones de la banda de valencia y se vuelve un buen conductor de portadores
positivos.
Ley de acción de masas.- La concentración de portadores de carga positivas es
inversa a los portadores de carga negativa (electrones).
𝑁𝑒 × 𝑁ℎ = 𝑁𝑖2
Unión P-N o diodo Es la unión de dos semiconductores tipo P y tipo N. cuando se
conecta a una diferencia de potencial o voltaje en forma directa actúa como un
interruptor cerrado y deja pasar la corriente y en forma inversa actúa como un
interruptor abierto. Curva característica de un diodo. Es una gráfica de la intensidad
de corriente en función del voltaje directo e inverso aplicado sobre el diodo.
El modelo de Shockley es un modelo que relaciona la intensidad de corriente del
diodo en función del voltaje aplicado. Este modelo describe muy bien la curva
característica de un diodo.
𝐼 = 𝐼𝑖𝑛𝑣(𝑒𝑉/𝑛𝑉𝑇 − 1)
El Efecto Zener es un fenómeno que se da cuando un diodo se conecta en inversa a
un voltaje muy grande (voltaje de ruptura), donde el diodo se hace conductor de
modo que se produce una avalancha de electrones y el diodo conduce una alta
intensidad de corriente.
76
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
77
Introducción
a) Presentación y contextualización Con el conocimiento de los semiconductores y de los fenómenos que ocurrían
cuando dos semiconductores tipo P y tipo N se unían para formar un diodo,
apareció en escena el transistor electrónico que revolucionó con la industria
electrónica, pudiendo diseñar y construir circuitos muy pequeños.
Todos los circuitos electrónicos tiene entres sus partes diodos y transistores, en
esta unidad vamos a ver los diferentes tipos de diodos y transistores, y sus
aplicaciones en circuito electrónicos básicos.
b) Competencia Reconoce diodos y transistores en circuitos electrónicos básicos
c) Capacidades
1. Reconoce y analiza los diodos semiconductores en circuitos electrónicos.
2. Analiza un circuito rectificador formado por diodos.
3. Reconoce y analiza los transistores en circuitos electrónicos.
4. Reconoce y describe los transistores de campo JFET y MOSFET.
d) Actitudes
Valora el uso de los diodos y transistores en la tecnología electrónica.
Realiza los trabajos con entusiasmo y solidaridad.
e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 3: Dispositivos Semiconductores comprende el
desarrollo de los siguientes temas:
Tema 01: Diodos semiconductores
Tema 02: Circuito rectificador
Tema 03: Transistores
Tema 04: Transistores unipolares
78
TEMA 1
Diodos
Semiconductores
Competencia:
Reconoce y analiza los diodos semiconductores en circuitos electrónicos.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
79
Desarrollo de los Temas
Tema 01: Diodos Semiconductores
Existen varios tipos de diodos que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas,
uso de electrodos que tienen características eléctricas particulares, usados para
una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es
fundamentado por principios de la mecánica cuántica y teoría de bandas.
Diodo avalancha
Es un diodo semiconductor diseñado especialmente para trabajar en tensión
inversa. En estos diodos, poco dopados, cuando el voltaje externo en polarización
inversa alcanza el valor del voltaje de ruptura, los electrones se aceleran y
colisionan con otros electrones de valencia, liberándolos, produciéndose una
avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el
diodo sin apenas incremento del voltaje.
Aplicación
La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicos contra
sobretensiones o picos de voltajes. El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo
que mientras el voltaje externo se mantenga por debajo del voltaje de ruptura sólo
será atravesado por la corriente inversa de saturación, que es muy pequeña, por lo
que la interferencia con el resto del circuito es mínima; a efectos prácticos, es como
si el diodo no existiera. Al incrementarse el voltaje del circuito por encima del valor
de ruptura, el diodo comienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra
evitando daños en los componentes del circuito.
Figura 1.1. Diodo Avalancha R2M
Datos técnicos:
•Voltaje de ruptura = 130 V
• Corriente máxima promedio, (corriente directa)= 1 A
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
80
Diodo Zener
El diodo Zener es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en
las zonas de rupturas. El diodo Zener presenta comportamientos similares a los
diodos de avalancha, pero los mecanismos involucrados son diferentes.
Si a un diodo Zener se le conecta en polarización directa toma las características
de un diodo normal, pero si se conecta en polarización inversa y se aplica un
voltaje muy grande cercano a la de ruptura el voltaje en el diodo permanece
constante y el diodo no se destruye, este voltaje es conocido como el voltaje zener
por lo que sus principales aplicaciones son de regulador de voltaje.
(a)
(b)
Figura 1.2. (a) Diodo Zener y (b) símbolo del diodo Zener
Fotodiodos
Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la
incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se
polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente
cuando sea excitado por la luz.
El principio de un fotodiodo está basado en el hecho de que los fotones que inciden
en el fotodiodo excitan a un electrón de la banda de valencia, dándole energía. Los
electrones excitados saltan a la banda de conducción, creando a su vez huecos en
la banda de valencia. Si la absorción de fotones ocurre en la zona de agotamiento de
la unión, estos portadores son retirados de la unión por el campo eléctrico de la zona
de agotamiento, produciendo una fotocorriente, Figura 1.3
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
81
Figura 1.3. Esquema de la creación de un par electrón-hueco (a). El campo eléctrico
en la unión P-N (b). Un fotón de luz proporciona energía a un electrón para que pase
a la banda de conducción. Se genera el par electrón – hueco (c). El campo mueve a
los electrones o que es lo mismo, los huecos se mueven en la dirección del campo
produciendo una fotocorriente.
La Fotocorriente depende de la longitud de onda de la luz, Tabla 1.1, y circula en
sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su
funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un
aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz.
(a)
(b)
Figura 1.4. (a) Fotodiodos sensibles a diferentes longitudes de onda (b).
Símbolo de un fotodiodo.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
82
El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para
definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz
visible; germanio para luz infrarroja; o de cualquier otro material semiconductor
Tabla 1.1. Semiconductores usados en los fotodiodos de
acuerdo a la longitud de onda al cual son sensibles
Material Longitud de onda (nm)
Silicio 190–1100
Germanio 800–1700
Indio galio arsénico 800–2600
Sulfuro de plomo <1000-3500
Figura 1.5. Estructura de un fotodiodo, al penetrar luz o radiación infrarroja en la
unión PN, se generan electrones libres y huecos, produciéndose una corriente a
través de la unión PN. Esto significa, que cuanto mayor es la cantidad de luz que
incide en el fotodiodo, tanto más intensa es la corriente que fluye a través del
fotodiodo. Este fenómeno recibe el nombre de efecto fotoeléctrico interno.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
83
Figura 1.6. Esquema de un circuito con un resistor R conectado a un
fotodiodo, se muestra el amperímetro A y el voltímetro V (a) Cuando hay
escasa luz la intensidad de corriente es pequeña. (b) Cuando hay abundante
luz la intensidad de corriente es mayor.
El diodo LED
Un LED (de la sigla inglesa LED: Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’) es
un diodo semiconductor que emite luz. Cuando un LED se encuentra en
polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el
dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado
electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón)
se determina a partir de la banda de energía del semiconductor.
Los LEDdes se usan en aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación,
iluminación automotriz (específicamente las luces de posición trasera,
direccional e indicadores) así como en las señales de tráfico. Los LEDes
infrarrojo también se usan en unidades de control remoto de muchos productos
comerciales incluyendo televisores, reproductores de DVD, entre otras
aplicaciones domésticas.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
84
(a) (b)
Figura 1.7. (a) Diodo LED que emite luz azul (b) Símbolo de un diodo LED,
emisor de luz
Tabla 1.2. Compuestos empleados en la construcción de LEDes
Compuesto Color Longitud de onda
Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm
Arseniuro de galio y
aluminio (AlGaAs)
Rojo e infrarrojo 890 nm
Arseniuro fosfuro de galio
(GaAsP) Rojo, anaranjado y
amarillo
630 nm
El diodo laser El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo
las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de
inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD.
(a)
(b)
Figura 1.8. (a) Diodo laser usado en los lectores de DVD (b) Símbolo de un diodo
laser.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
85
Circuito simple de diodo con resistencia y un voltaje externo Vamos a analizar el paso de la corriente en un circuito formado por un diodo, una
resistencia y un voltaje externo que puede ser el de una batería. Cuando un diodo se
conecta en forma directa con un resistor el voltaje externo se reparte entre el diodo y la
resistencia.
𝑽 = 𝒊𝑹 + 𝑽𝑫
Donde:
V = voltaje externo (V)
i = intensidad de corriente (A)
R = resistencia eléctrica (Ω)
VD = voltaje del codo (conexión directa) o voltaje de zener (en inversa)
EJE
MP
LO
1
En la figura se muestra una conexión
directa de un diodo. El voltaje de codo es
0,7 V, el voltaje de la pila es 4,5 V y la
resistencia R = 1,2kΩ. Determinar la
corriente por circuito.
Resolución: Calculamos el voltaje térmico:
𝑉 = 𝑖𝑅 + 𝑉𝐷 → 4,5 = 𝑖(1200) + 0,7 → 𝑖 = 3,17𝑚𝐴
EJE
MP
LO
2
En la figura se muestra una conexión
inversa de un diodo zener. El voltaje zener
es de 12V y R = 150 Ω. Determinar la
corriente en el circuito cuando el voltaje V
es (a) 8V y (b) 20V
Resolución
(a) El voltaje externo es menor que el voltaje zener, no se produce avalancha y el
diodo actúa como un circuito abierto, i = 0.
(b) El voltaje externo es mayor que el voltaje zenner, entonces e produce
avalancha y el diodo deja pasar una corriente inversa.
𝑉 = 𝑖𝑅 + 𝑉𝑍 → 20 = 𝑖(400) + 12 → 𝑖 = 20𝑚𝐴
86
TEMA 2 Circuito
Rectificador
Competencia:
Analiza un circuito rectificador formado por diodos.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
87
Tema 02: Circuito Rectificador
En electrónica, un circuito rectificador permite convertir una señal eléctrica alterna
en una continua. Este proceso se realiza utilizando diodos rectificadores.
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
El rectificador de onda completa es un circuito empleado para eliminar la parte
negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi)
convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo).
Figura 2.1. Esquema de un voltaje alterno rectificado.
Figura 2.2. Diodo usado en circuitos
rectificadores.
Datos del diodo rectificador:
MR506:1N5406
Diodo rectificador de propósito general
de 600 Volts a 3 Amperes
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
88
El circuito, representado en la Figura 1, funciona como sigue:
El transformador convierte la tensión alterna de entrada en otra tensión alterna
del valor deseado.
Figura 2.3. Esquema de un transformador que convierte de un voltaje
alterno 10V a un voltaje alterno de 6V.
El voltaje de salida del transformador es rectificado durante el primer semiciclo
positivo por los diodos externos.
Figura 2.4. Esquema del voltaje rectificado por un par de diodos.
Durante el segundo semiciclo, semiciclo negativo, el voltaje es rectificado por
los diodos interiores, de forma que a la carga R le llega un voltaje positivo
pulsante pero de corriente continua en una sola dirección.
Figura 2.5. Esquema del voltaje rectificado por un par de diodos.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
89
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON FILTRO RC
En el proceso de rectificación explicada anteriormente, no se ha conseguido una
corriente continua pura; para ello sería necesario eliminar los pulsos, tal operación
se denomina filtrar.
En el proceso de filtrado no se obtiene corriente continua pura, sino que nos
quedamos con una pequeña parte del voltaje positivo pulsante, que se llama
rizado.
El proceso de filtrado en un circuito rectificado se realiza introduciendo un
condensador en paralelo a la resistencia. En el primer semiciclo positivo, el
condensador se carga hasta tener un voltaje igual al voltaje máximo. En el
semiciclo negativo el condensador compensa la disminución del voltaje alterno, por
lo que aparece un voltaje rectificado similar a un rizo.
Figura 2.6. Esquema del voltaje rectificado y filtrado. El voltaje de salida no es
completamente constante.
𝑽𝒓𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐 =𝒊
𝒇𝑪
Donde
i = intensidad de corriente sobre R (Ω) f = frecuencia del voltaje alterno (Hz) C = capacitancia del condensador (F)
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
90
EL VOLTAJE EFICAZ
Cuando se mide con un multímetro el voltaje alterno, el valor que se obtiene es el
voltaje eficaz o el valor cuadrático medio del voltaje alterno, el cual se calcula:
𝑽𝒆𝒇𝒊𝒄𝒂𝒛 = √𝑽𝒎𝒂𝒙
𝟐
𝟐
Así por ejemplo, si medimos el voltaje alterno del toma corriente que tenemos en
casa o en la oficina, el multímetro indicará 220V, este valor es el voltaje eficaz, si
deseamos saber el voltaje máximo del voltaje alterno que recibimos este se
calcula, a partir de la ecuación anterior.
𝑽𝒎𝒂𝒙 = √𝟐𝑽𝒆𝒇𝒊𝒄𝒂𝒛
𝑽𝒎𝒂𝒙 = √𝟐(𝟐𝟐𝟎) = 𝟑𝟏𝟏𝑽
Figura 2.7. El voltaje alterno que recibimos en casa tiene un
valor máximo de 311V
EJE
MP
LO
3
En la figura se muestra un voltaje alterno con un voltaje máximo de 100V,
determinar el voltaje eficaz de este voltaje alterno.
Resolución
1. Calculamos el voltaje de rizado, en la figura C = 10μF = 10×10-6F:
𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 = √𝑉𝑚𝑎𝑥
2
2= √
1002
2= 70,7𝑉
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
91
EJE
MP
LO
3
En el circuito de la figura determinar, el transformador reduce el voltaje de
220 V a 12V . Hallar el voltaje de salida media, si se sabe que la corriente
que pasa por la resistencia es de 12mA y la frecuencia del voltaje es de
50Hz.
Resolución
1. El voltaje de salida media está dado por:
𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ≈ 𝑉𝑚𝑎𝑥 −𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜
2
2. Primero calculamos el voltaje de rizado, en la figura C = 10μF = 10×10-6F:
𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑖
𝑓𝐶=
12 × 10−3𝐴
(50𝐻𝑧)(10 × 10−6𝐹)= 24𝑉
3. Ahora el voltaje máximo
𝑉𝑚𝑎𝑥 = √2𝑉𝑒𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧 = √2(12) = 17𝑉
4. Entonces:
𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ≈ 𝑉𝑚𝑎𝑥 −𝑉𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜
2= 17 −
24
2= 5𝑉
Hazlo tú
En el circuito rectificador con filtro RC, si el condensador tuviera una
capacitancia, C = 400µF, la corriente en la resistencia fuera de 50mA, el
trasformador reduce el voltaje de 220V a 12V y la frecuencia del voltaje es
de 50hz. Determinar el voltaje medio de salida del rectificador.
92
TEMA 3
Competencia:
Reconoce y analiza los transistores en circuitos de electrónica
Transistores
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
93
Tema 03: Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones
de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la
contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").
Actualmente, se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos
de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video,
hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración,
alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas
fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3,
teléfonos móviles, etc.
El Transistor Bipolar
El transistor de unión bipolar, (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas
BJT) está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor,
separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres
regiones: NPN o PNP.
En un transistor el semiconductor intermedio es conocido como Base, los otros
dos como Emisor y Colector, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a
la Base, tienen diferentes concentraciones de impurezas, entre ellas, el emisor
está mucho más dopado que el colector.
Figura 3.1. Corte transversal simplificado de un
transistor de unión bipolar NPN. Donde se puede
apreciar como la unión base-colector es mucho
más amplia que la base-emisor.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
94
Figura 3.2. Transistores usados en electrónica. Los primeros transistores
fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están
compuestos de silicio.
Figura 3.4. Estructura de un transistor NPN
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
95
Figura 3.5. Transistor NPN y PNP y sus símbolos. El símbolo de un transistor
NPN, la flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y
apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el
dispositivo está en funcionamiento activo.
El funcionamiento de un transistor PNP es análogo al funcionamiento del
transistor NPN, por lo que solo estudiaremos este último transistor.
Si el transistor no está polarizado, es decir no está conectado a ningún voltaje
externo, se comporta como dos diodos en contraposición por donde no circula
corriente eléctrica. Para que haya circulación debe ser polarizado y, según sea
la polarización, podría funcionar en tres zonas: activa, corte y saturación.
Zonas de Trabajo de un Transistor
Transistor en zona activa. En este caso la unión emisor-base se polariza en
directa y la unión base-colector en inversa. Esta configuración es utilizada para
amplificar señales. Los electrones fluyen del emisor al colector, siendo la base
la que controla el flujo de electrones.
𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵
En este caso 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝐶 y 𝐼𝐵 ≈ 0. Las tres intensidades se relacionan mediante
los parámetros alfa y beta . Al parámetro beta también se le llama hFE
𝛼 =𝐼𝐶𝐼𝐸
; 0,95 < 𝛼 < 1
𝛽 =𝐼𝐶𝐼𝐵
; 100 < 𝛽 < 300
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
96
La relación entre ambos parámetros es:
𝛼 =𝛽
1+𝛽 𝛽 =
𝛼
1+𝛼
En el siguiente circuito se muestra a un transistor en zona activa, se ha
colocado dos resistencias que tienen como misión limitar la cantidad de
corriente que circula por la base y el colector, y que se llaman resistencia
de base (RB) y resistencia de carga (RC).
En esta zona, conforme RB disminuye, IB aumenta y
permite pasar corriente entre colector y emisor. La
relación que existe entre la intensidad del colector y la
intensidad de la base es: IC = β IB,
β: ganancia de corriente, su valor está comprendido
entre 100 y 300
Transistor en zona de corte. En esta zona, se
trata de un caso extremo, cuando RB es muy
grande y IB = 0, entonces el transistor no deja
pasar corriente entre el colector y el emisor.
Transistor en zona de saturación. En esta zona si aumentamos
progresivamente el valor de intensidad en la base, llega un momento en el
que la intensidad del colector no sigue aumentando. El transistor se
comporta entonces como un interruptor cerrado.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
97
Configuraciones del transistor
Amplificador Base Común
Amplificador Colector Común
Amplificador Emisor Común
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR
Las curvas características de un transistor son unas gráficas que
representan el comportamiento del transistor para diferentes valores de
voltaje e intensidad de corriente.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
98
Curva Característica de Entrada
Relaciona dos cantidades de entrada con una de salida del transistor. Así por
ejemplo, en la configuración de emisor común se
puede relacionar la intensidad de la base (IB) con el voltaje
base-emisor (VBE). Para diferentes valores del voltaje
colector-emisor (VCE), ver Figura 3.6.
Curva Característica De Salida
Relaciona dos cantidades de salida con una de entrada del transistor. Así por
ejemplo, en la configuración de emisor común se puede relacionar IB de entrada
cono IC y VCE de salida, en base común se relaciona la magnitud IE de entrada
con IC y VCB; y en colector común IB con IC y VCE. A través de estas curvas se
pueden deducir las condiciones de trabajo y funcionamiento de un transistor.
Figura 3.6. Curva característica de entrada y curva característica de salida para
la configuración de emisor común.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
99
TEMA 4
Competencia:
Reconoce y describe los transistores de campo JFET y MOSFET.
Transistores
Unipolares
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
100
Tema 04: Transistores Unipolares
A diferencia de los transistores bipolares, que están basados en el movimiento de dos
portadores de carga (electrones y huecos), en los transistores unipolares el movimiento
solo lo realiza uno de los portadores de carga (electrones o huecos). Se utilizan para
amplificar señales en las cuales se desean niveles de ruido bajos y la resistencia de
entrada es elevada.
Se dividen en JFET o FET y MOSFET y son controlados por voltajes
Transistor de Unión Efecto de Campo (Jfet O Fet)
El JFET (“Junction Field-Effect Transistor”), es un semiconductor tipo N (también
puede ser tipo P) con material tipo P difundido en él (o tipo N según sea). Se dividen
en transistores de canal N y transistores de canal P.
Tiene tres terminales que se denominan drenaje (D) y fuente (F o S), que son los que
están unidos al sustrato base (semiconductor tipo N o P). El otro terminal es la puerta
(G) que corresponde a semiconductores tipo P o N según sea, ver figura 4.1.
Figura 4.1. Transistor JFET de canal P
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
101
El JFET es un dispositivo que, según los valores de voltaje de entrada, reacciona dando
unos valores voltaje de salida. El voltaje de entrada se aplica entre los terminales S
(fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva
característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas:
corte, óhmica y saturación.
Figura 4.2. Esquema de un JFET de canal N y canal P, junto con sus respectivos
símbolos
Físicamente, un JFET de canal P está formado por una pastilla de semiconductor tipo P
en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida D (drenaje) y S (fuente) flanqueada
por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales
conectados entre sí G (puerta). Al aplicar una tensión positiva VGS entre puerta y fuente,
las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones
(corriente ID) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa
un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso
de electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de
VGS se le denomina Vp. Para un JFET "canal N" las zonas P y N se invierten, y los
valores VGS y Vp son negativas, cortándose la corriente para tensiones menores que Vp.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
102
Figura 4.3. Esquema de un JFET de canal N, cuando alcanza su punto de corte.
Transistor de Efecto Campo Metal-Oxido (Mosfet)
Son los FET anteriores pero con aislante de óxido entre la puerta y el canal. Se
dividen en:
MOSFET de empobrecimiento, Apenas se utiliza, pero dio paso al de
enriquecimiento, el cual tiene grandes aplicaciones en electrónica. Se divide a su vez
en MOPSFET de empobrecimiento de canal N y de canal P.
Figura 4.4. Esquema de un MOSFET de canal N
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
103
MOSFET de enriquecimiento. Tiene múltiples aplicaciones. Se divide en
MOSFET de enriquecimiento de canal N o de canal P
Figura 4.5. Símbolos del MOSFET
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
104
Los transistores JFET y MOSFET tiene aplicaciones en la amplificación de señales, es
decir la señal de entrada al circuito es amplificada
Figura 4.6. Circuito
amplificador usando un
transistor JFET de canal N
Figura 4.7. Circuito
amplificador usando un
transistor MOSFET de canal N
Circuito Amplificador
.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
105
Lecturas Recomendadas
VÍDEO: “CIRCUITO RECTIFICADOR” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=9Etu8JT8D30
http://www.youtube.com/watch?v=_DS2TabeomE
VÍDEO: “TRANSISTOR” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=NLL8iB3rIZc
http://www.youtube.com/watch?v=v7J_snw0Eng
5. ACTIVIDADES Y EJERCICIOS
1. Ingresa al siguiente link: “DIODO” lee atentamente
las indicaciones, desarróllalo y envíalo por el
mismo medio:
Visita en el Internet algunas compañías que vendan
dispositivos electrónicos. Busca información de la ficha
técnica de cinco diodos diferentes. Elabora una presentación en power point donde
muestres la característica de cada diodo.
Algunas páginas que puedes visitar:
http://www.circuitosimpresos.org/2008/06/02/diodos/
http://www.microelectronicash.com/
http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp
http://www.neoteo.com/midiendo-diodos-y-transistores-15335
Publica tu presentación en:
www.slideshare.net
Luego, envía la dirección de tu publicación a tu tutor.
Actividades y Ejercicios
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
106
2. Ingresa al siguiente link: “TRANSISTORES” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Visita en el Internet algunas compañías que vendan dispositivos electrónicos. Busca
información de la ficha técnica de cinco transistores diferentes, incluye uno JFET y
un MOSFET. Elabora una presentación en Power Point donde muestres la
característica de cada diodo.
Algunas páginas que puedes visitar
http://www.microelectronicash.com/
http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp
http://www.neoteo.com/midiendo-diodos-y-transistores-15335
Publica tu presentación en:
www.slideshare.net
Luego, envía la dirección de tu publicación a tu profesor
3. Ingresa al link “CIRCUITO RECTIFICADOR” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Indaga en la web sobre el circuito rectificador de media onda. En Ms Word describe
cada uno de los pasos de cómo un voltaje alterno se convierte en un voltaje continuo.
4. Ingresa al link “CIRCUITO AMPLIFICADOR” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Indaga en la web sobre un circuito amplificador. En Ms Word describe cada uno de los
pasos de cómo una señal es amplificado.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
107
Autoevaluación
1) El diodo usado para regular voltaje debido a que soporta altos voltajes es el:
a. diodo avalancha
b. diodo tunel
c. fotodiodo
d. diodo zener
e. diodo laser
2) El diodo usado en el control remoto es un:
a. fotodiodo
b. LED
c. diodo de avalancha
d. un diodo zener
e. un diodo tunel
3) Un diodo zener tiene un voltaje de ruptura de 10V, si se conecta a un foquito de
2Ω y luego se conecta en inversa a una batería de 8V. La intensidad de corriente
que circula por el foquito es:
a. 0A
b. 1A
c. 10A
d. 100 mA
e. 200 mA
4) El nombre del circuito que transforma el voltaje alterno en voltaje continuo es:
a. transformador
b. amplificador
c. regulador
d. rectificador
e. filtrador
5) Marque la alternativa que corresponda verdadera (v) o falsa (f) con respecto a las
siguientes afirmaciones
I. El circuito rectificador con filtro utiliza un condensador.
II. El voltaje eficaz es menor que el voltaje máximo.
III. En el proceso de rectificar el voltaje de entrada, los semiciclos negativos se
convierten en positivos.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
108
a. VVF
b. VFF
c. FFF
d. VVV
e. FVF
6) Marque la alternativa INCORRECTA
a. Los transistores utilizan más de dos uniones PN
b. Un transistor tiene tres electrodos llamados base, colector y emisor
c. En un transistor NPN la base semiconductora es tipo N
d. En un transistor PNP la base semiconductora es tipo P
e. Los transistores son elementos en transición
7) Marque la alternativa que corresponda Verdadera (v) o falsa (f) a las siguientes
afirmaciones
I. En la zona de corte un transistor actúa como un interruptor abierto
II. En la zona de saturación un transistor actúa como un interruptor abierto
III. La intensidad de corriente en la base es nula, cuando un transistor está en la
zona activa.
a. VVF
b. VFF
c. FFF
d. VVV
e. FVF
8) Con respecto las curvas características de un transistor (Figura 3.6) en la
configuración de emisor- común es CORRECTO afirmar:
a. Para un voltaje colector y el emisor (VCE) constante, la corriente en la base (IB)
aumenta conforme aumenta el voltaje entre la base y el emisor (VBE).
b. Para un voltaje colector-emisor (VCE) constante, la corriente en la base (IB)
aumenta lentamente para valores pequeños en el voltaje base-emisor (VBE).
c. Conforme la corriente en la base (IB) aumenta, la corriente en el colector (IC)
aumenta, para un voltaje determinado entre el colector-emisor (VCE).
d. Para una corriente en la base es igual a cero (IB=0), la corriente en el colector
(IC) aumenta levemente conforme aumenta el voltaje entre el colector y el
emisor (VCE).
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
109
e. Para un voltaje determinado entre el colector-emisor (VCE), cuando la corriente
en la base (IB) aumenta, la corriente en el colector (IC) disminuye.
9) De los siguientes dispositivos cuál no es un transistor de efecto campo
a. JET
b. JFET
c. MOSFET canal N
d. MOSFET canal P
e. Zener
10) Marque la alternativa que corresponda, verdadera (v) o falsa (f) a las siguientes
afirmaciones
I. Los transistores JFET y MOSFET son usados en circuitos amplificadores.
II. En un circuito amplificador la señal sale con una menor amplitud
III. Los electrodos de un transistor JFET son emisor, colector y base
a. VVF
b. VFF
c. FFF
d. VVV
e. FVF
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
110
Resumen Resumen
UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIIIII::
El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus
terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.
El diodo es el dispositivo semiconductor más simple está hecho por la unión de un material
semiconductor de tipo N y otro de tipo P. Hay diodos construidos de otros materiales.El
Diodo avalancha está diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa, cuando
alcanza el voltaje de ruptura, los electrones se aceleran y se produce una avalancha cuyo
efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenas incrementar el voltaje.
Diodo Zener, este diodo está diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa,
cuando alcanza el voltaje de ruptura, el voltaje en el diodo permanece constante y el diodo
no se destruye.
Fotodiodos es un diodo diseñado especialmente para trabajar en polarización inversa.
Cuando incide luz visible o infrarroja sobre este se produce una corriente.
Diodo LED es un emisor de luz, diseñado para trabajar en polarización directa. Cuando los
electrones se recombinan con los huecos liberan energía en forma de luz. El diodo laser es
también un emisor de luz láser similar a los diodos LED.El circuito rectificador de onda
completa permite convertir una señal eléctrica alterna en una continua. Este proceso se
realiza utilizando diodos rectificadores.
El circuito rectificador de onda completa con filtro RC posee un filtro y elimina los pulsos del
voltaje alterno consiguiéndose una voltaje de salida casi continua.
Un transistor es un dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una
corriente grande mediante una señal muy pequeña, es un componente que tiene,
básicamente dos funciones: Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña
señal de mando, funciona como elemento amplificador de señales.
Transistor bipolar es la Unión bipolar de dos Uniones P-N en un solo cristal semiconductor.
Esta unión bipolar puede ser NPN o PNP. En un transistor el semiconductor intermedio es
conocido como Base los otros dos como Emisor y Colector.
El Transistor unipolar JFET está formado por una pastilla de semiconductor tipo P (o N) en
cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida D (drenaje) y S (fuente) flanqueada por dos
regiones con dopaje de tipo N (o P) en las que se conectan dos terminales conectados
entre sí G (puerta). Este transistor proporciona voltajes de salida en función al voltaje de
entrada, por lo que es usado en amplificación de señales eléctricas. Los transistores JFET y
MOSFET tienen aplicaciones en la amplificación de señales, es decir señal de entrada al
circuito es amplificada.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
111
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
112
Introducción
a) Presentación y contextualización
El desarrollo de la mecánica cuántica en la ciencia de los materiales ha permitido
descubrir y conocer con mayor profundidad los principios físicos de la mecánica de
las partículas, átomos y moléculas, lo que ha promovido el desarrollo de la
microelectrónica a dimensiones tan pequeñas, y cuyos resultados se traducen en
dispositivos electrónicos cada vez más pequeños. Por otro lado, el desarrollo de la
optoelectrónica a partir de las fibras ópticas, de las pantallas LCD y las pantallas de
plasma, han promovido el desarrollo de la telecomunicación y de la calidad de las
imágenes que observamos. En esta Unidad daremos un vistazo de los principales
dispositivos utilizados en la actualidad.
b) Competencia
Indaga sobre los avances en los dispositivos electrónicos y los fundamentos
físicos de estos.
c) Capacidades
1. Reconoce las propiedades de los cristales líquidos y su aplicación en pantallas
LCD.
2. Identifica y describe los circuitos integrados en circuitos electrónicos.
3. Analiza y define la propagación de las ondas electromagnéticas en fibras
ópticas.
4. Analiza y define sobre la nanotecnología aplicada a la electrónica.
d) Actitudes Valora el estudio de los sólidos como la base para crear nuevas tecnologías en
los componentes electrónicos.
Muestra rigurosidad para representar relaciones, plantear argumentos y
comunicar resultados
e) Presentación de ideas básicas y contenido esenciales de la Unidad. La Unidad de Aprendizaje 4: Dispositivos Actuales comprende el desarrollo de los siguientes temas:
Tema 01: Cristal líquido Tema 02: Circuitos integrados Tema 03: Fibra óptica Tema 04: Nanotecnología
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
113
TEMA 1
Competencia:
Reconoce las propiedades de los cristales líquidos y su aplicación en pantallas LCD.
Cristal Líquido
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
114
Desarrollo de los Temas
“La sustancia tiene dos puntos de fusión, si se pueden describir de esa
forma. A 145.5ªC se funde en un fluido neblinoso pero perfectamente
líquido, el cual a 178.5ºC se vuelve bruscamente claro
Tema 01: Cristal Líquido
El Cristal Líquido
En 1888, el botánico y químico austriaco Friedrich Reinitzer hizo un
descubrimiento interesante sobre las fases intermedias entres sólido y líquidos de
algunas sustancias orgánica. Reinitzer notó un comportamiento anómalo del
colesterilbenzoato cuando éste pasaba del estado sólido al líquido. Ese mismo
año le escribió al cristalógrafo Otto Lehmann sobre sus observaciones, aquí la
traducción de un fragmento de su carta:
Tras los posteriores trabajos de Lehmann y otros científicos quedo establecido que
las fases intermedias del colesterilbenzoato y otros compuestos similares
constituyen nuevos estados de la materia entre el estado líquido y el estado
sólido. Lehmann dio el nombre de cristales líquidos (CL) a estas fases, debido a
que en su aspecto externo tienen muchas de las propiedades de los líquidos como
la fluidez, mientras que estructuralmente poseen parte de la ordenación que
caracteriza los sólidos cristalinos. Aunque este es el nombre con el que se han
popularizado, técnicamente se denominan de estados mesomórficos o
mesofases,
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
115
Fases Mesomórficas
La mayoría de los materiales que pasan por fases meso mórficas están
compuestos por moléculas orgánicas alargadas que se pueden clasificar en tres
fases diferentes, dependiendo del tipo de ordenación molecular que presenten:
Figura 1: Esquema de la orientación de las moléculas en los diferentes tipos de
cristal líquido: (a) nemático, (b) colestérico y (c) esméctico
Nemáticos
Los ejes principales, que marcan la orientación del eje largo de las moléculas,
tienen todos la misma dirección, aunque los centros estén distribuidos
aleatoriamente, es decir hay un orden orientacional pero no translacional, ya que
las posiciones relativas no están predeterminadas, ver Figura 1a. Este tipo de
cristal es el más utilizado comercialmente por su menor viscosidad, que es la
responsable directa de la lentitud en el tiempo de respuesta.
Figura 2. Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase nemática
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
116
Figura 3. Moléculas orgánicas que dan lugar a una fase nemática: (a) El p-
azonanisol (PAA) esta es similar a un cilindrito de longitud 20°A y un ancho de 5°A,
esta fase nemática es obtenida a altas temperaturas comprendidas entre 1160 ºC y
1350 ºC a la presión atmosférica. (b) El p-metozibencilideno p-n-butilanilina
(MBBA), es obtenido a temperaturas comprendidas entre 20 ºC y 47 ºC. (c) El 4-
pentyl-4’-cyanobiphenyl (5CB), es obtenido a temperaturas comprendidas entre 24
ºC y 35 ºC.
Colestéricos
En esta fase se presenta una ordenación molecular en una dirección como los
nemáticos, pero las moléculas son ópticamente activas, lo que hace que
presenten una estructura helicoidal espontanea con un gran poder rotatorio de la
luz. Las moléculas se orientan en direcciones diferentes en cada capa y, por
tanto, el vector director gira a lo largo de las distintas capas, ver Figura 1b. Este
tipo de cristal se emplea principalmente en las pantallas de termómetros en forma
de lámina.
Figura 4: Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase colestérica
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
117
Esmécticos
En esta fase se presenta una ordenación orientacional y posicional, las moléculas
agrupan en capas ordenadas entre ellas, pero en cada capa los centros se
distribuyen aleatoriamente, ver Figura 1c. Mientras que las fases nemática y
colestérica son únicas, se conocen hasta diez tipos diferentes de fases esmécticas.
El cristal puede cambiar de fase esméctica con la temperatura. Debido a su
viscosidad las aplicaciones propuestas han sido escasas, excepto en el caso de los
cristales ferroeléctricos (FLC, “ferroelectric liquid cristal”).
Figura 4: Típicas texturas de una película delgada de cristal líquido en fase esméctica
Los cristales líquidos son muy sensibles a la temperatura, el orden molecular
se altera cuando la temperatura cambia y las propiedades ópticas del material
se modifican y se producen fenómenos como la iridiscencia, como se observa
en figura.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
118
Figura 5. En el cristal líquido más simple, un eje tiende a apuntar a lo
largo de la dirección sobre las que las moléculas tienden a alinearse. Esta
dirección preferencial es llamada el eje director, el cual es indicado con
el vector unitario n.
El eje director
Las moléculas del cristal líquido tienden a orientarse aletargo del eje director y
debido a esto es que adquieren propiedades ópticas. La peculiaridad de los
materiales con ejes ópticos consiste en que ellos dirigen los rayos luminosos,
cambiando su intensidad, color y dirección. La velocidad de la luz dentro del
material depende de su propagación con respecto al eje óptico.
En ocasiones un cristal líquido puede no tener un eje óptico, sin embargo puede
adquirirlo como resultado de acciones mecánicas, eléctricas, etc. Resulta que en
cristales líquidos se presenta con mayor facilidad este fenómeno ya que en ellos
es más fácil variar la orientación de sus moléculas.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
119
Pantallas de Cristal Líquido Nemático
Las pantallas de cristal líquido están formadas por celdas de cristal líquido de tipo
nemático con giro (TNLC, “twisted nematic liquid cristal”), confinada entre dos
capas de vidrio.
Detalle de una pantalla LCD en color
Celda TNLC sin voltaje aplicado
En una celda TNLC, podemos imaginarnos la capa de cristal líquido formada por
múltiples capas, en las cuales las moléculas no se encuentran todas orientadas en
un eje común, sino que giran desde un eje a la entrada hasta otro a la salida,
como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Esquema del giro de las moléculas en una pantalla LCD
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
120
Celda TNLC con voltaje aplicado
Al aplicar un campo eléctrico en la dirección del eje +z, las moléculas se inclinan y
tienden a alinearse en la dirección del campo eléctrico, el cual modifica las
propiedades ópticas del cristal líquido, como la polarización de la luz.
Las variaciones de las propiedades ópticas del cristal líquido pueden entonces ser
controladas a partir del voltaje aplicado entre las celdas.
La Luz es una Onda Electromagnética
La luz como onda electromagnética está formada por un campo eléctrico y otro
magnético, perpendiculares entre sí que oscilan en el tiempo y que se propaga
en el espacio.
La dirección del campo eléctrico determina la dirección de polarización de una
onda electromagnética. Por lo general la luz emitida por una lámpara, hace que
el campo eléctrico está distribuido al azar en cualquier dirección, y se dice que la
luz no está polarizada.
Figura 7. El campo eléctrico (E) modifica la orientación
de las moléculas, modificando la polarización de la luz
que atraviesa el cristal líquido.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
121
Celda TNLC con dos polarizadores
Ahora que sabemos cómo la acción de un campo eléctrico modifica la dirección de
las moléculas y en consecuencia la dirección de polarización de la luz. Si se
colocan dos polarizadores uno a la entrada y otro a la salida, que denominaremos
analizador, se puede modificar la intensidad luminosa de la pantalla LCD,
produciendo niveles de grises diferentes. Figura 8
Figura 8. Esquema de una celda colocada entre el polarizador y el analizador
El Polarizador
La dirección de polarización de la luz está dada por la dirección del campo
eléctrico. La luz emitida normalmente por una fuente no está polarizada, es decir,
el campo eléctrico de cada onda está distribuido al azar en cualquier dirección, al
pasar por un polarizador la luz es filtrada y solo pasan las ondas con un campo
en una determinada dirección.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
122
En una pantalla LCD, las imágenes se forman cuando cada pixel o celda se
ilumina con diferente intensidad de luz. Es por eso que las pantallas LCD
requieren de una fuente de luz blanca que atraviesen los polarizadores, luego una
variación en el voltaje del cristal modifica la polarización de la luz y en
consecuencia la intensidad luminosa, un filtro con los colores RGB (Red = rojo,
Green = verde, Blue = azul) muestra una pantalla con imágenes a colores.
Figura 9. El campo eléctrico en el cristal líquido modifica las propiedades ópticas del
cristal pudiendo controlar la intensidad de la luz en la pantalla LCD
Figura 10. Esquema del funcionamiento de una pantalla LCD
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
123
TEMA 2 Circuitos
Integrados
Competencia:
Identifica y describe los circuitos integrados en circuitos electrónicos.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
124
Tema 02: Circuitos Integrados
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una
pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de
área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante
fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o
cerámica.
El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer
conexión entre la pastilla y un circuito impreso.
Figura 1. Un circuito integrado contiene, resistores, condensadores, transistores,
etc. conectados que conforman un circuito complejo.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
125
Tipos de Circuitos Integrados
Existen tres tipos de circuitos integrados:
Circuitos monolíticos: están fabricados en un solo mono cristal, habitualmente
de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio,
etc.
Figura 2. Circuito monolítico inventado por Jack Kilby en 1959
ganadores del premio Nobel de Física.
Circuitos híbridos de capa fina: son muy similares a los circuitos monolíticos,
pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología
monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en
tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar
resistores precisos.
Circuitos híbridos de capa gruesa: se apartan bastante de los circuitos
monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula,
transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectado con pistas
conductoras.
Los resistores se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con
láser. Todo ello se encapsula, en cápsulas plásticas o metálicas, dependiendo
de la disipación de energía calórica requerida. En muchos casos, la cápsula no
está "moldeada", sino que simplemente se cubre el circuito con una resina
epoxi para protegerlo. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para
aplicaciones en módulos de radio frecuencia (RF), fuentes de alimentación,
circuitos de encendido para automóvil, etc.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
126
Clasificación
Atendiendo al nivel de integración -número de componentes- los circuitos
integrados se pueden clasificar en:
SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: de 10 a 100 transistores
MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1.000 transistores
LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000 transistores
VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10.001 a 100.000 transistores
ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a 1.000.000
transistores
GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: más de un millón de
transistores
Disipación de Potencia
Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes
integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de
esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el
comportamiento del dispositivo el cual puede llegar a destruirlo.
Los amplificadores de audio y los reguladores de tensión son proclives a este
fenómeno, por lo que suelen incorporar protecciones térmicas.
Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más energía deben disipar.
Para ello, su cápsula contiene partes metálicas, en contacto con la parte inferior
del chip, que sirven de conducto térmico para transferir el calor del chip al
disipador o al ambiente.
Figura 3. Disipador de calor hecho
de aluminio sobre un
microprocesador de computadora.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
127
Figura 4. El microprocesador, o simplemente procesador, es el circuito integrado
central más complejo de una computadora. El procesador es un circuito integrado
constituido por millones de componentes electrónicos integrados.
El Circuito Integrado 555
Este circuito integrado (C.I.) está compuesto por 23 transistores, 2 diodos y 16
resistores encapsulados en silicio. Este circuito es utilizado como un generador
de pulsos, y la frecuencia de éstos puede variar de 1 pulso por segundo hasta 1
millón de pulsos por segundo.
Figura 5. Circuito integrado NE555, está compuesto de muchos dispositivos
semiconductores
Para ver el efecto del circuito integrado se le conecta un LED y un resistor R3,
conectado al pin 3 del 555 (IC1), que justamente es el pin de salida.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
128
Observa la polaridad de la fuente respecto al LED..., te habrás dado cuenta que
la única forma de encenderlo es que el pin 3 de IC1 sea negativo. Y lo será...,
observa la onda rectangular de los pulsos de salida..., cuando esté arriba será
(+) o 1, y el LED estará apagado. Cuando esté abajo será (-) o 0, entonces el
LED se encenderá.
¡Según la señal de salida el LED encenderá de forma alternada¡
Veamos los otros componentes; R1, R2 Y C1 forman una red de tiempo. El
capacitor C1 se cargará a través de R1 y R2, del otro lado el 555 espera
impaciente que termine de hacerlo, y cuando lo logre lo reflejará en su terminal
de salida (pin 3), y he aquí el pulso que produce la descarga del capacitor. Ahora
sí..., ya estamos listos para la siguiente carga que generará el segundo pulso.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
129
TEMA 3
Competencia:
Analiza y define la propagación de las ondas electromagnéticas en fibras ópticas.
Fibra
Óptica
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
130
Tema 03: Fibra Óptica
La fibra óptica es una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente
con un índice de refracción alto, de modo que produzca una desviación muy grande
de la luz. Está constituida de material dieléctrico (material que no tiene conductividad
como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy
pocas pérdidas incluso cuando esté curvada.
Está formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (se construye
de elevadísima pureza con el propósito de obtener una mínima atenuación) y el
exterior llamado revestimiento que cubre el contorno (se construye con requisitos
menos rigurosos), ambos tienen diferente índice de refracción.
El diámetro exterior del revestimiento es de 0,1 mm aproximadamente y el
diámetro del núcleo que transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros.
Adicionalmente incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamado
recubrimiento.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
131
El Índice de Refracción (N)
El índice de refracción es una medida de la densidad óptica de un material
traslucido, cuanto mayor es el índice de refracción mayor es la desviación de los
rayos de luz cuando pasa de un medió a otro. Cuando la luz pasa del aíre a otro
medio, el índice de refracción se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el
vacío, c = 300 000 km/s entre la velocidad de la luz en el medio (v).
𝒏 =𝒄
𝒗
Índices de refracción de varios materiales se indican en la siguiente tabla.
MEDIO INDICE DE
REFRACCION
Vacío 1,0
Aire 1,0003
Agua 1,33
Alcohol etílico 1,36
Cuarzo fundido 1,46
Fibra de vidrio 1,5-1,9
Diamante 2,00-2,42
Silicio 3,4
Galio Arsenuro 3,6
El ángulo de refracción θ2 del rayo
refractado y el ángulo de incidencia
del rayo incidente θ1, ambos
medidos con respecto a la normal,
están relacionados por la ecuación
de Snell.
n2 sen θ2 = n1sen θ1
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
132
Propagación de la luz en una fibra óptica
La propagación se realiza cuando un rayo de luz ingresa al núcleo de la fibra
óptica y dentro de él se producen sucesivas reflexiones en la superficie de
separación núcleo – revestimiento.
La Reflexión Total Interna
Cuando la luz pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro de menor
índice de refracción, como ocurre entre el núcleo y el revestimiento de una fibra
óptica, se produce una reflexión total interna a partir de cierto ángulo crítico.
Reflexión total interna producida cuando la luz pasa de un
medio de mayor índice de refracción a otro de menor índice.
Para calcular el ángulo crítico en el cual ocurre reflexión total interna, en la ecuación
de Snell θ2 = 90º y θ1 = θc, entonces:
𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝒏𝟐
𝒏𝟏)
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
133
Clasificación de Las Fibras Ópticas
Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las telecomunicaciones se
clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación: Fibras
Multimodo y Fibras Monomodo.
Fibra Multimodo
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más
de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra
multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras
multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1
km; es simple de diseñar y económico. El núcleo de una fibra multimodo tiene un
índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el
revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más
fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.
EJE
MP
LO
1
El índice de refracción del núcleo de fibra óptica es 1,62 y el índice de
refracción del revestimiento es de 1,52. Determinar el ángulo crítico del rayo
de luz entre el núcleo y el revestimiento
Resolución
1. Calculamos el ángulo crítico:
𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝒏𝟐
𝒏𝟏)
2. En la fibra óptica el rayo proviene del núcleo (n1 = 1,62) e incide sobre el
revestimiento (n2 = 1,52):
𝜽𝑪 = 𝒔𝒆𝒏−𝟏 (𝟏, 𝟓𝟐
𝟏, 𝟔𝟐) = 𝟔𝟗, 𝟖 𝒐
Hazlo tú
Usando la ecuación de Snell, demuestra que si un rayo de luz que proviene
del aire (n = 1) incide sobre el núcleo de la fibra óptica con, 60 𝑜este se
refracta con un ángulo de 32,3 𝑜.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
134
Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos
tipos de fibra multimodo:
Fibra de salto de índice o escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo
tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene
alta dispersión modal.
Fibra a gradiente de índice o de índice gradual: mientras en este tipo,
el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el
núcleo se constituye de distintos materiales.
Fibra Monomodo
Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de
luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a
10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es
paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras
monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo,
mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información
(decenas de Gb/s).
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
135
TEMA 4
Competencia:
Analiza y define sobre la nanotecnología aplicada a la electrónica.
Nanotecnología
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
136
Tema 04: La Nanotecnología
La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, y manipulación
de estructuras químicas y biológicas con dimensiones en el intervalo entre 1 y
100 nm. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos
y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas.
«Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro»
Nanopartículas Semiconductoras
Una nanopartícula tiene el tamaño de algunos nanómetros, y sus
propiedades tanto físicas como químicas son diferentes a las que presenta
el material en la escala de los centímetros.
Imágenes de nanopartículas de silicio poroso nano
estructurados con diámetros promedios de: (a) 20nm, (b)
45nm, and (c) 80nm. SEM
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
137
Existen diferentes tipos de nano partículas, en las cuales es posible
distinguir el carácter organizacional de la materia:
Semiconductoras. Las partículas semiconductoras se fabrican a partir
de la combinación de un precursor metálico con elementos
pertenecientes a la familia del oxígeno. En general, como en el caso de
los semiconductores comunes, las nano partículas se forman de la
mezcla de los elementos de la tabla periódica del grupo III con el grupo
V, por ejemplo: fosfuro y arsenuro de indio; o de la composición de los
grupos IV y VI, como son el selenuro, teluro y sulfuro de plomo.
Una propiedad interesante de las nanopartículas semiconductoras es la
fotoluminiscencia, capaz de absorber luz (fotones) para después
emitirla en una longitud de onda diferente. Esta propiedad se obtiene
cuando las nanopartículas son expuestas a la luz ultravioleta. La
intensidad y el cambio en la longitud de onda de la luz irradiada sobre
la partícula dan como resultado los espectros de absorción y emisión
que constituyen una manifestación directa de los niveles de energía en
los cuales los electrones se encuentran atrapados.
Entre más pequeñas sean las nanopartículas, se necesitará una
energía más alta para que una transición electrónica se lleve a cabo
(absorción). El regreso del electrón a su orbital producirá la emisión de
un fotón con energía dentro del intervalo de luz visible, por lo que las
soluciones irradiadas presentan diferentes colores muy intensos, lo que
las hace útiles en el marcaje y detección biológica. Así, las
nanopartículas de sulfuro de cadmio emiten en azul cuando son
cercanas a dos nanómetros, y en naranja cuando son
mayores a 5 nm.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
138
Nanoelectrónica: La nanoelectrónica es el uso de la
nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente en
transistores, basado en principios de la mecánica cuántica.
Nanocables
Los nanocables podemos definirlos como estructuras moleculares con
propiedades eléctricas u ópticas. Son uno de los componentes clave
para la creación de chips.
Electrónicos moleculares. Fáciles de producir, estos pueden ser
juntados a modo de rejilla y llegan a constituir la base para los circuitos
lógicos a nanoescala.
Los nanocables pueden tener varias formas y otras muchas
aplicaciones.
Los nanocables tienen propiedades eléctricas y ópticas únicas. Su
principal uso es en la creación de dispositivos manométricos, entre los
que podrían estar las células solares.
Nanocircuitos
Los "nanocircuitos" son circuitos electrónicos compuestos básicamente
por transistores, cables e interruptores, pero fabricados en unas
dimensiones extremadamente miniaturizadas.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
139
Circuitos de radiofrecuencia (RFID) impresas mediante la utilización de
tintas que contienen nanotubos.
El fullereno
Los fullerenos son la tercera forma más estable
del carbono, tras el diamante y el grafito. Su
estructura atómica se presenta en forma de
esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos
esféricos reciben a menudo el nombre de
buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o
nanotubos.
Esquema experimental y ejemplo de la técnica de nanolitografía en
materiales a temperatura ambiente
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
140
Figura. Fullerenos
cilíndricos o nanotubos
Figura. El fullereno más conocido es el
buckminsterfullereno. Se trata de un
fullereno formado por 60 átomos de
carbono (C60), cuya estructura es la de
una figura geométrica truncada y está
constituido por 20 hexágonos y 12
pentágonos, con un átomo de carbono en
cada una de las esquinas de los
hexágonos y un enlace a lo largo de cada
arista.
Futuras Aplicaciones De La Nanotecnología
Los campos que están experimentando continuos avances son:
Energías alternativas, energía del hidrógeno, pilas (células) de combustible, dispositivos de ahorro energético.
Administración de medicamentos, especialmente para combatir el
cáncer y otras enfermedades.
Computación cuántica, semiconductores, nuevos chips.
Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria militar.
Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes, materiales, automóviles, cosméticos, pinturas, construcción, alimentos envasados, pantallas planas...
Contaminación medioambiental. Prestaciones aeroespaciales: nuevos materiales, etc.
Fabricación molecular.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
141
Lecturas Recomendadas
VÍDEO: “NANOTECNOLOGÍA” EN:
http://www.youtube.com/watch?v=TY2-1cLX8Mc
VÍDEO: “CRISTAL LÍQUIDO” EN:
Fttp://blip.tv/angelr182/videotutorial-7-pantalla-de-cristal-liquido-4363544
LECTURA: “LÍQUIDOS EXÓTICOS” EN:
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/liquidos.htm
1. Ingresa al link: “CRISTAL LÍQUIDO” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el
Internet y elabora, en MS Word, un mapa descriptivo de las partes de
una pantalla LCD, describe los principios físicos de cada una de las
partes.
http://www.ibercajalav.net/img/cristalesLiquidos.pdf
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/1
04/htm/sec_6.htm
http://www.unicrom.com/Tut_LCD.asp
2. Ingresa al link: “CIRCUITOS INTEGRADOS” lee atentamente las
indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el
Internet, selecciona un circuito, cualquiera que tenga más de 10
componentes, circuito detector de señales de video, circuitos, circuitos
Actividades y Ejercicios
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
142
amplificadores, etc. Identifica los componentes electrónicos presentes en el
circuito, a partir de los símbolos mostrados. En MS Word, pega la imagen del
circuito elegido y elabora una tabla que muestre el símbolo y nombre del
componente presente en el circuito.
http://www.pablin.com.ar/
http://www.electronicafacil.net/circuitos/
http://eureka.ya.com/elektron/circuitos.htm
3. Ingresa al link: “FIBRA ÓPTICA” lee atentamente las indicaciones,
desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el
Internet y realiza un artículo sobre las fibras ópticas, en el Perú.
http://www.mtc.gob.pe/portal/fibraoptica/index.html
http://elcomercio.pe/ediciononline/html/2007-12-06/alan-garcia-
inaugura-primer-red-fibra-optica-que-unira-al-norte-peru.html
http://www.viatelperu.com/joomla/index.php?option=com_content&v
iew=article&id=59:primer-proyecto-de-fibra-optica-para-region-rural-
peruana&catid=45:informacion-tecnica
http://lamula.pe/2011/02/23/red-de-fibra-optica-para-conectar-el-
peru/jorgebossio
4. Ingresa al link: “NANOTECNOLOGÍA” lee atentamente las
indicaciones, desarróllalo y envíalo por el mismo medio:
Explora las siguientes páginas web y otras que puedas encontrar en el
Internet y realiza una presentación sobre los avances de la
nanoelectrónica.
http://www.nanotecnologica.com/tag/nanoelectronica/
http://www.sinewton.org/numeros/numeros/43-44/Articulo68.pdf
http://www.diarioaz.com.mx/index.php?option=com_content&view=a
rticle&id=8471:impulsan-la-nanoelectronica-
organica&catid=13:eureka&Itemid=19
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
143
Autoevaluación
1) Un cristal líquido:
a. Es una fase de la materia muy parecida al vidrio en estado líquido.
b. Es una fase de la materia por el cual atraviesan todos lo sólidos.
c. Es una fase de la materia donde las moléculas presentan
propiedades tanto de los sólidos cristalinos como de los líquidos.
d. Es una fase de la materia en donde le alcanzan algunos líquidos
que tienen sólidos disueltos en este.
e. Es una fase de la materia donde las moléculas presentan
propiedades tanto de los sólidos amorfos como de los líquidos.
2) Indique cuál de las siguientes fases mesomórficas son utilizadas en
pantallas LCD
a. Colestéricos
b. Nemáticos
c. Semilíquido
d. Esméticos
e. Semisolido
3) Marque la alternativa que corresponda según sea verdadera (V) o
Falsa (F)
I. En un cristal líquido las moléculas modifican su orientación en
presencia de un campo eléctrico.
II. La orientación de las moléculas en un cristal líquido determina sus
propiedades ópticas.
III. Las pantallas LCD están compuestas de pequeñas celdas de cristal
líquido, llamadas pixeles.
a. FFF
b. FVF
c. VVV
d. VFV
e. FFV
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
144
4) Marque la afirmación INCORRECTA
a. Los circuitos integrados tienen una cantidad muy grande de
transistores y diodos.
b. Los circuitos integrados tienden a calentarse y muchos de ellos
necesitan disipadores.
c. El primer circuito integrado fue del tipo monolítico
d. El microprocesador de un computador es un circuito integrado
e. Un circuito integrado no puede tener más de un millón de
transistores
5) Con respecto al circuito integrado 555 es CORRECTO afirmar
a. Es un circuito integrado MSI.
b. Es un circuito compuesto por 12 transistores, 4 diodos y 16
resistores.
c. Es un circuito que puede generar pulsos de hasta un millón de
veces por segundo.
d. Es el circuito integrado que tiene 4 electrodos o "patitas".
e. Es un circuito usado para amplificar una señal.
6) Una fibra óptica es:
a. Una fibra hecha principalmente de dos materiales de índice de
refracción diferentes.
b. Es una fibra conductora usada como cable de corriente eléctrica
de alta precisión.
c. Es una fibra que transporta electrones como señal de información
de un punto a otro
d. Es una fibra metálica muy delgada que puede transportar pulsos
eléctricos de alta frecuencia
e. Es una fibra usada como conductor de corriente en circuitos
integrados, para comunicación WiFi.
7) Cuando la luz se propaga en la fibra óptica ocurre un fenómeno óptico
llamado:
a. Reflexión parcial
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
145
b. Refracción interna total
c. Reflexión interna total
d. Reflexión multimodal
e. Reflexión selectiva
8) La nanotecnología es la ciencia de materiales con dimensiones de
orden de:
a. Millonésima parte de un milímetro
b. Millonésima parte de un metro
c. Milésima parte de un milímetro
d. Milésima parte del metro
e. La decima parte de un milímetro
9) Con respecto a las nanopartículas semiconductora, indique la
alternativa INCORRECTA
a. Presentan fotoluminiscencia
b. Son partículas del tamaño de de 1 a 80nm
c. Se forman de la mezcla de los elementos de la tabla periódica del
grupo III con el grupo V
d. Presentan propiedades físicas y químicas diferentes en función de
sus dimensiones
e. Se pueden observar con un microscopio óptico.
10) Marque la alternativa que corresponda según sea verdadera (V) o
Falsa (F).
I. Los nanocables tienen propiedades eléctricas y ópticas dependiendo
de cómo se organicen los átomos.
II. El desarrollo de nanocircuitos permite crear circuitos sobre láminas
flexibles.
III. El fullereno es una forma de nanocable, formado por átomos de
carbono que forman una especie de nanotubos.
a. FFF
b. FVF
c. VVV
d. VFV
e. FFV
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
146
Resumen
UUNNIIDDAADD DDEE AAPPRREENNDDIIZZAAJJEE IIVV::
El cristal líquido es un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de la fase líquida y la sólida. Dependiendo del tipo de cristal líquido, es posible, por ejemplo, que las moléculas tengan libertad de movimiento en un plano, pero no entre planos, o que tenga libertad de rotación, pero no de traslación. Cristal líquido fases intermedias entre sólido y líquido de algunas sustancias orgánicas como el colesteril benzoato. Son muy sensibles a la temperatura y al campo eléctrico o magnético aplicado, de modo que las propiedades ópticas del material se modifican y se producen fenómenos como la iridiscencia.
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. El circuito integrado 555.- Circuito integrado compuesto por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistores. Este circuito es utilizado como un generador de pulsos, y la frecuencia de éstos puede variar de 1 pulso por segundo hasta 1 millón de pulsos por segundo.
La fibra óptica, es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.
La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y
manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a
nivel de átomos moléculas (nano materiales). Lo más habitual es que tal
manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Se
tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un
nanobot de unos 50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos -depende de qué esté hecho el nanobot-.
Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto; de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
147
Glosario
AGOTAMIENTO (ZONA DE): parte del semiconductor, cercano a la juntura
en donde no existen portadores de carga.
ALINEAL: circuito que con un pequeño cambio en la entrada causa un
gran cambio en la salida (los transistores y diodos son alineales) Ver: diodo,
transistor.
AMPERE (AMPERIO): unidad de medición de la corriente eléctrica (A)
1 Amperio = 1 coulombio / segundo = 1C/s.
1 Amperio = 1000 mA.
Ver: corriente eléctrica, corriente alterna, corriente continua
AMPERÍMETRO: instrumento de medición utilizado para medir la corriente
que atraviesa un dispositivo. Este instrumento se coloca en serie con el
dispositivo Ver: medir corriente directa
AMPLIFICADOR TRANSISTORIZADO: circuito basado en el transistor con
ganancia de potencia mayor a 1.
AMPLITUD: valor pico de una onda. En ondas simétricas es el valor de la
mitad del valor pico-pico. Ver: corriente alterna
ÁNODO: electrodo positivo. Ver: diodo
BASE COMÚN: configuración de un amplificador con transistor en que la
entrada es aplicada al emisor y la salida se obtiene en el colector. La
ganancia de voltaje es grande y la ganancia de corriente es
aproximadamente 1.
BETA (Β): relación que hay entre los valores de las corrientes del colector y
la base de un transistor (ganancia). Ver: transistor bipolar
BIPOLAR: transistor que utiliza tantos portadores de carga positiva como
negativa, en la transmisión de la corriente. Ver: transistor bipolar
BOBINA: (inductor) elemento que reacciona contra los cambios en la
corriente a través de él, generando una tensión que se opone a la tensión
aplicada y es proporcional al cambio de la corriente.
BOBINADO: cada uno de los lados de un transformador, realizado con
muchas espiras arrolladas sobre un núcleo magnético. Estos bobinados se
llaman primarios y secundarios, respectivamente.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
148
CA (CORRIENTE ALTERNA): corriente eléctrica que cambia su amplitud
en forma periódica con el tiempo. Ver: corriente alterna
CAMPO MAGNÉTICO: distribución de la energía magnética en el espacio,
creado por un imán o por el flujo de una corriente.
CAPACITOR (CONDENSADOR) DE PASO: es un capacitor que tiene por
finalidad mantener la alta ganancia en c.a. y la ganancia en c.c. es reducida
con ayuda de una resistencia de realimentación (Re)
COLECTOR COMÚN: también llamado seguidor emisor. La entrada de
señal se hace en la base y la salida se obtiene en el emisor. Tiene una alta
ganancia de corriente y una ganancia de tensión ligeramente menor a 1.
CORTE: estado en que la tensión base – emisor, en un transistor, no es
suficiente para polarizar el transistor en su unión base-emisor. Como
consecuencia no hay corriente en el emisor del transistor. Se dice que el
transistor no conduce o está abierto.
CORRIENTE: cantidad de carga que circula por un conductor por unidad de
tiempo.
COULOMBIO: unidad de medición de la carga eléctrica. 1 coulombio tiene
una carga de: 6.28 x 1028 electrones.
CURVA CARACTERÍSTICA: cada una de las curvas que describe la
operación de un dispositivo (ejemplo: un transistor) en distintas condiciones
de polarización y carga.
DIGITAL: un sistema en que los caracteres o códigos son utilizados para
representar números o cantidades físicas en forma discretos.
DIPOLO: antena de la mitad de longitud de onda, partida en su punto
central, para conectarse al cable de alimentación.
DISIPADOR DE CALOR: dispositivo metálico utilizado para disipar el calor
generado por componentes electrónicos.
EMISOR COMÚN: configuración de un amplificador a transistor en donde la
entrada de la señal se aplica a la base y la salida se obtiene del colector:
Las ganancias de tensión y corrientes son muy altas, obteniéndose una alta
ganancia de potencia.
FARADIO (F): unidad de capacidad en los condensadores.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
149
FET (FIELD EFFECT TRANSISTOR): transistor de efecto de campo en que
el flujo de electrones que circula entre fuente (S) y drenaje (D) es controlado
por una tensión aplicada en la compuerta (G).
FILTRO: circuito selectivo que sólo deja pasar frecuencias determinadas,
bloqueando todas las otras.
FUENTE COMÚN: modo de operación de un FET (transistor de efecto de
campo) en que la entrada es tomada entre compuerta y fuente, y la salida
entre drenaje y fuente. Se obtiene una gran ganancia tanto de tensión cono
de corriente
FUSIBLE: Dispositivo de protección que abre el circuito cuando hay un
consumo de corriente mayor al esperado.
INTRÍNSECO (SEMICONDUCTOR): es en esencia un semiconductor puro,
cuyas propiedades no son determinadas por las impurezas.
KILOHERTZ: [Kilociclo], Khz, mil Hertz, 1 Khz = 1000 Hz. Unidad de
frecuencia.
KILOHM: [Kilohmio], KΩ; mil Ohms, 1 KΩ = 1000 Ω
KILOVOLT: [Kilovoltio], KV, mil voltios. 1 KV = 1000 voltios
KILOWAT: [Kilovatio], KW, mil watts, 1 KW = 1000 vatios
LÁSER: (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Dispositivo que produce un rayo de luz coherente.
LED: Light Emitting Diode. Diodo emisor de Luz
LEY DE OHM: ley que afirma que en un conductor, el cociente entre la
tensión (voltaje) y la intensidad (corriente) es una constante conocida con la
resistencia.
LCD: Liquid Crystal Display. pantalla de cristal líquido. Tecnología que
permite la creación de pantallas planas.
POLARIZACIÓN: uso de fuentes externas de alimentación, para proveer
de energía a un amplificador y establecer sus límites.
POLARIZACIÓN EN DIRECTA: en el diodo es cuando el voltaje en el
ánodo es superior al voltaje del cátodo.
POLARIZACIÓN EN INVERSA: en el diodo es cuando el voltaje en el
cátodo es superior al voltaje en el ánodo.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
150
PORTADORES MINORITARIOS: portador que tiene menor presencia en
un área dada en un semiconductor. En áreas tipo N hay huecos y en la
áreas P, electrones.
POTENCIA: la velocidad con la que se consume o suministra energía de
un sistema. Potencia = Energía/tiempo. La unidad de medición de la
potencia es el Watt o Vatio (W)
POTENCIÓMETRO: es un elemento de 3 terminales que funciona como 2
resistencias variables, pero la suma de ellas siempre permanece constante.
PUNTO DE OPERACIÓN: conjunto de condiciones de polarización de un
transistor. Suele ser dada con dos tensiones. El caso de transistor bipolar
con tensiones colector emisor y base emisor y en el FET como tensiones
compuerta fuente y drenaje fuente.
RECTIFICADOR: circuito que convierte la corriente Alterna (C.A.) en
corriente continua (C.C.).
REGIÓN ACTIVA EN UN TRANSISTOR: región en que la juntura BE
(base-emisor) está polarizada en directa y la región BC (base-colector) está
polarizada en inversa.
REGIÓN DE RUPTURA: región en la que el diodo semiconductor se haya
polarizado en inverso más allá de la tensión de ruptura. Un diodo común se
destruiría, pero un diodo zener aprovecharía la característica para regular a
una tensión fija.
REGULADOR ZENER: regulador basado en el diodo zener cuando trabaja
en la zona de ruptura
RESISTENCIA: es la medida de cuanto se opone un circuito al paso de la
corriente eléctrica a través de él.
SATURACIÓN: región de funcionamiento de un transistor en que ambas
junturas del transistor se hallan polarizadas en directo, lo que causa que el
voltaje entre colector y emisor sea muy pequeño (casi 0 voltios).
SEGUIDOR EMISOR: amplificador transistorizado donde la salida es igual
a la de entrada, incluyendo la fase. Por eso el nombre "seguidor".
TENSIÓN DE RUPTURA:
Tensión en la que un diodo polarizado inversamente causa la ruptura de la
unión PN.
TRANSISTOR: dispositivo semiconductor con tres terminales que funciona
como amplificador y como interruptor.
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
151
Fuentes de Información
Bibliográficas:
RAYMOND A. SERWAY/CLEMENT J. MOSES/CURT A. MOYER.
“Física moderna”. Tercera edición. Ed. Thomson (2006).
ALBELA J. M./MARTINEZ-DUART J.M. “Fundamentos de electrónica
física y microelectrónica”. Ed. Addison Wesley (2007).
LLUÍS PRAT VIÑAS (Ed). “Circuitos y dispositivos electrónicos.
Fundamentos de electrónica”. Ediciones de la Universidad Politécnica
de Cataluña. (1998)
C. KITTEL. “Introducción a la física del estado sólido”. Ed.Reverté.
(1998)
VAN DER ZIEL. “Física del estado sólido”. Ed. Prentice Hall. (2000)
R.B. ADLER/A.C. Smith/R.L. LONGINI. “Introducción a la física de los
semiconductores”. (Manuales del S.E.E.C.). Ed. Reverté. (2004)
A.R. HAMBLEY. “Electrónica”. Ed.Prentice Hall.
J.A. WALSTUN y J. MILLER. “Transistores, circuito y diseño” (Texas
Instruments). Ed. CECSA. (2000)
Electrónicas
Física con ordenador
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm
Electrónica básica
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/default.htm
Fundamentos de electrónica física y microelectrónica
http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica_indice.html
Física electrónica de la universidad de valencia
http://www.uv.es/elecfis/
Diodos de potencia
http://www.uv.es/marinjl/electro/diodo.html#1
Lecciones de electrónica
http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp
Curso en línea de electrónica
http://electronicacompleta.com/
Instituto latinoamericano de la comunicación educativa
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/b
UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
152
Solucionario
UNIDAD DE
APRENDIZAJE 1
1. D
2. D
3. A
4. A
5. A
6. E
7. C
8. A
9. B
10. D
UNIDAD DE
APRENDIZAJE 2:
1. D
2. A
3. A
4. C
5. D
6. B
7. E
8. C
9. B
10. D
UNIDAD DE
APRENDIZAJE 3:
1. D
2. A
3. A
4. D
5. D
6. E
7. B
8. E
9. E
10. B
UNIDAD DE
APRENDIZAJE 4:
1. C
2. B
3. C
4. E
5. C
6. A
7. C
8. A
9. E
10. C