Unidad 1: Tema 1: Semiconductores, aplicaciones y simbología
Fundamentos y Características de Electrónica Empleados en Maquinaria Pesada
Gildemeister
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Unidad 1 Semiconductores, aplicaciones y simbología
Material I: Teoría de Semiconductores
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Índice Temático
Introducción …………………………………………………………………………………. 4 El Átomo………………………………………………………………………………………. 5 -
Propiedades del átomo ………………………………………………………6
Conductores………………………………………………………………………………….9 Semiconductores…………………………………………………………………………….11 Resistencia……………………………………………………………………………………..17
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Introducción En los últimos años la investigación de la física del estado sólido de la materia, ha provisto a los científicos de los conocimientos necesarios para producir nuevos dispositivos electrónicos, los semiconductores que ocupan hoy día un lugar de prominencia en el mundo de la electrónica.
Componentes prácticamente desconocidos hace treinta años, surgen hoy, desplazando a las válvulas de vacío (tubos) de funciones que hasta hace poco se creían de su exclusiva propiedad.
Para el estudio y comprensión de los fenómenos que ocurren en dispositivos semiconductores, es necesario conocer algunos detalles del mundo atómico, como por ejemplo: •
Su estructura
•
Propiedades de las partículas que lo Integran
A continuación lo invitamos a revisar los contenidos preparados para esta unidad.
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El Átomo Para comenzar, por favor observe atentamente la figura:
El componente fundamental de la materia, es decir, de todo lo que nos rodea, es el átomo que se le asigna una estructura como lo indica la Fig. (1), compuesto de un núcleo, el que contiene partículas llamadas: -
Protones: Carga eléctrica positiva (+) de masa mayor que el neutrón.
-
Neutrones: Sin carga eléctrica, menor masa y más inestable.
-
Alrededor del núcleo giran partículas llamadas electrones, de carga eléctrica
negativa (-), constituyen el elemento fundamental de la electricidad.
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Propiedades del átomo: Los protones que poseen carga eléctrica positiva de igual magnitud que la del electrón, son aproximadamente 1800 veces más pesado.
Un átomo normal, el número de electrones que giran alrededor del núcleo, es igual al número de protones, y por ello se dice que un átomo es eléctricamente neutro.
Debido al movimiento de rotación de los electrones alrededor del núcleo A, actúa sobre él una fuerza centrífuga que trata de alejarlos del núcleo. Esta fuerza se equilibra con la fuerza de atracción del núcleo lo que mantiene al electrón en una órbita estable. (Fig. 2)
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4) Todo lo que nos rodea, es decir, todos los materiales que forman nuestro mundo diario, están
formados
por
aproximadamente
sustancias básicas o elementos.
100
O bien una
combinación de dos o más elementos básicos
Ejemplo:
Agua, Sal, Acero, Bronce, etc.
5) Cada elemento básico posee una cantidad diferente de electrones girando alrededor del núcleo, en diferentes órbitas que se designan con las letras:
K, L, M, N, O, P, Q
La órbita más cercana al núcleo es la capa K; y la más alejada del núcleo se designa con la letra Q.
La última capa u orbital de un átomo se denomina capa de valencia.
Un átomo que posee en su última capa un número máximo de 8 e-, este elemento se comporta como un aislador.
Ejemplo:
Gases Nobles como el Neón, Argón, Kriptón, etc.
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Aquellos átomos que poseen 1, 2 o 3 electrones en el último orbital son buenos conductores.
Ejemplo:
Oro, Plata, Cobre, etc.
Los átomos que poseen 4 electrones en su último orbital se denominan semi conductores.
Ejemplo:
Germanio, Silicio, Carbono, Plomo, Estaño.
6)
Los electrones ubicados en la última capa, son los que determinan las
propiedades químicas y eléctricas de un elemento y se denominan electrones de valencia y la capa que los contiene capa de valencia.
7)
Sobre la capa de valencia existen niveles vacantes en las que se denominan
niveles de excitación.
•
Banda de valencia: Es la zona en que los electrones se encuentran semilibres.
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•
Banda de conducción: Es la zona donde los electrones se encuentran con la
suficiente energía como para moverse libremente en una estructura cristalina. •
Banda prohibida: Zona cerrada al paso libre de los electrones entre las
bandas de conducción y de valencia.
Conductores El cobre es un buen conductor eléctrico, la razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del núcleo, los electrones en distintos orbitales, llamados “capas o niveles de energía”
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La parte interna: En la electrónica, lo único que importa es el orbital exterior, el cual se denomina orbital de valencia. Es este orbital exterior el que determina las propiedades eléctricas del átomo.
Electrón libre: Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón, al que se conoce como electrón libre y por eso mismo, el cobre es un buen conductor. Incluso la tensión o fuerza más débil puede hacer que los electrones libres de un conductor se muevan de un átomo al siguiente.
Los mejores conductores son: El Oro, la Plata, el Cobre, el Iridio, etc.
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Semiconductores Los mejores conductores (Plata, Cobre, Oro) tienen un electrón de valencia mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante (Germanio – Silicio).
Nombre Fósforo
Número
Símbolo P
Atómico
Valencia
15
Formación de 5
Arsénico
As
33
Antimonio
Sb
51
Silicio
Si
14
Germanio
Ge
32
Aluminio
Al
13
Galio
Ga
31
Indio
In
49
Uso
semiconductor de tipo N
4
Material para semiconductor
Formación de 3
semiconductor de tipo P
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Un ĂĄtomo de Silicio tiene 14 protones y 14 electrones. En el primer orbital posee 2 electrones y el segundo 8 electrones. Los 4 electrones restantes se encuentran en el orbital de valencia, como lo indica la figura 5, la parte interna tiene una carga resultante de + 4 porque contiene 14 protones en el nĂşcleo y 10 electrones en los dos primeros orbitales. Los 4 electrones de valencia nos indican que el silicio es un semiconductor.
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Se denominan a los materiales atizados en electrónica, que cumple una determinada arquitectura interna, en las diferentes estructuras químicas, nos podemos dividir en dos grandes grupos: Son los llamado puros, es decir aquellos e lo que todo el material, esta únicamente formado por
Intrínsecos
un solo componente básico estos es 4 electrones de Valencia. Un cristal de Si o Ge es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de la misma especie. A temperatura ambiente, un cristal puro de Si o Ge se comporta más o menos como un aislante ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos correspondientes, producidos por la energía térmica que posee dicho cristal.
Son los llamados impuros, queriendo decir con
Extrínsecos
ello, que todo el material está formado por un solo componente, sino que está mezclado con otros, en proporción y tipo adecuando.
Importante: Los extrínsecos se dividen a su vez en dos grandes grupos “Tipo N” y “Tipo P”
Los tipos P son los materiales a los que se le agregan átomos de 3 electrones de valencia. Deben mencionarse que para estos tipos son portados mayormente los huecos. Entendiéndose como hueco la ausencia de electrones el enlace químico. Los tipos N son los semiconductores a los que se le agregan átomos de 5 electrones de valencia.
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Semiconductor extrínseco del tipo N: Al silicio o germanio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor extrínseco tipo N, donde N hace referencia a negativo. En un semiconductor extrínseco del tipo N como los electrones superan a los huecos reciben estos el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos reciben el nombre de portadores minoritarios. (Fig. 9)
Semiconductor extrínseco del tipo P: El silicio o germanio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor extrínseco tipo P, donde P hace referencia a positivo. Como el número de huecos supera a los electrones libres, los huecos reciben el nombre de portadores mayoritarios y los electrones se les denominan portadores minoritarios. (Fig. 10)
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Paralización directa Se denomina directa aquella configuración en la cual el positivo de la fuente se conecta al bloque “P”. En esta situación la moralidad de la fuente siempre que ceda superior a la tensión de barrera convertirá al bloque N-P. En conductor, dejando pasar la corriente eléctrica.
Paralización inversa Se denomina inversa la configuración en la que el potencial positivo de la fuente se conecta al bloque N de este modo la barrera del potencial se ve reformada y la corriente de paso a través del bloque es nula.
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Características de la unión pn: (El diodo no polarizado) Por si mismo un cristal semiconductor del tipo P o N tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón; pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de la forma que una parte sea tipo P y la otra sea tipo N. La separación o frontera física de esta se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos, transistores y circuitos integrados. (Fig.11)
Importante: Comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con Semiconductores.
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En el cristal pn se va a producir una difusión de portadores mayoritarios en ambas zonas. Los electrones de la zona N pasaran a la zona p y los huecos de la zona P pasaran a la zona n cruzando la unión. Esta difusión de produce debido a que los electrones tienden a llenar los huecos adyacentes a la unión, dejando a su vez una zona de huecos en la posición original, la difusión se manifiesta en los lados adyacentes de la frontera y se denomina zona de transición. (Fig. 12)
Resistencia Todo material presenta una oposición al paso de la corriente. Esa energía eléctrica que recibe la transforma en calor según la Ley de Joule, como ya vimos en apartados anteriores. Esta propiedad de los materiales se puede utilizar para limitar la cantidad de corriente eléctrica que pasa por una parte del circuito o para crear una caída de tensión. Este es el caso de las resistencias como componente.
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Este tipo de resistencias son fijas, tienen siempre el mismo valor de ohmios. Existen varios tipos de resistencias según su constitución: Resistencias con capa de carbono, donde una capa de carbono se halla depositada sobre un cilindro de cerámica Resistencias con capa metálica, con una capa metálica depositada sobre un cilindro de cerámica. Resistencias bobinadas, constituidas por un hilo metálico resistivo sobre un cilindro aislante y refractario de calor. Su característica principal es su resistencia óhmica aunque tienen otra no menos importante como la potencia máxima que pueden disipar. Ésta última depende principalmente de la construcción física del elemento. La resistencia óhmica se mide en ohm (Ω), y se suele utilizar también múltiplos de esta unidad: Kilo Ohm = 1K Ω
= 1000Ω Mega Ohm = 1MΩ =1000000 Ω
Las resistencias no poseen polaridad. Es decir, se pueden colocar en la plaqueta sin tener en cuenta su orientación. Para conocer el valor de una resistencia, tenemos dos posibilidades. La primera, y más sencilla, es tomar un multímetro, seleccionar el modo óhmetro y medir directamente el valor de resistencia
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La segunda, es observar los colores que aparecen sobre las mismas. Las resistencias llevan grabadas sobre su cuerpo unas bandas de color que nos permiten identificar el valor óhmico que éstas poseen. Cabe aclarar que esto es válido sólo para resistencias de potencia pequeña (menor de 2 Watt), ya que las de potencia mayor generalmente llevan su valor impreso, con números, sobre su cuerpo. El número que corresponde al primer color indica la primera cifra, el segundo color la segunda cifra y el tercer color indica el número de ceros que siguen a la cifra obtenida (multiplicador), con lo que se tiene el valor efectivo de la resistencia. El cuarto anillo, o su ausencia, indican la tolerancia. Por último, comentar que una precisión del 2% se considera como muy buena, aunque en la mayoría de los circuitos usaremos resistencias del 5%, que son las más corrientes.
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Cómo leer el código de colores
Las resistencias y condensadores tienen cuatro colores.
Veamos un par de ejemplos.
En esta resistencia tenemos la siguiente secuencia de colores: Rojo – Amarillo – Rojo – Dorado
1ª Banda RED/ROJO = 2 2ª Banda YELLOW/AMARILLO = 4 3ª Banda RED/ROJO = DOS
CEROS 00
4ª Banda GOLD/DORADO = +-5% Nos queda uniéndolos: 2400 Ohmios o escrito de otra forma 2K 4Ohmios.
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En esta segunda resistencia tenemos la siguiente secuencia de colores: Rojo – Rojo – Amarillo – Dorado 1ª Banda RED/ROJO = 2 2ª Banda RED/ROJO = 2 3ª Banda YELLOW/AMARILLO = CUATRO
CEROS 0000
4ª Banda GOLD/DORADO = +-5% Nos queda uniéndolos: 220000 Ohmios o escrito de otra forma 220KOhmios.
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Además de este tipo de resistencias fijas muy usadas en cualquier circuito eléctrico, existen otro tipo de resistencias variables, cuyo valor óhmico puede cambiar, bien sea por una acción manual o por varios factores externos. Las más comunes que nos encontramos son: Resistencias variables manualmente, como puede ser un reóstato con el que variamos la luminosidad del cuadro de abordo. Resistencias variables mecánicamente, por ejemplo un aforador de carburante. Resistencias variables en función de la temperatura, como la sonda de temperatura de agua motor. Dentro de este tipo podemos encontrar además las de coeficiente de temperatura positivo CTP, donde el valor en ohmios será mayor a mayor temperatura, y las de coeficiente de temperatura negativo CTN, donde el valor en ohmios será mayor a menor temperatura.
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