UNIVERSIDAD BICENTARIA DE ARAGUA
SAN CRISTOBAL - EDO TÁCHIRA
CARRERA: INGENIERIA DE SISTEMAS
CURSO: ELECTRÓNICA
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Y CIRCUITOS INTEGRADOS
Autor: Mariana Vivas M
A todos aquellos interesados y apasionados por la tecnología, que día a día transforman el mundo con el desarrollo y perfeccionamiento de dispositivos electrónicos, permitiéndonos vivir en un entorno más conectado y eficiente.
A los ingenieros, científicos y estudiantes, quienes con su esfuerzo continúan impulsando la innovación en este fascinante campo.
Prólogo
En la era moderna, los dispositivos electrónicos y los circuitos integrados son el alma de casi todos los sistemas tecnológicos que nos rodean. Desde los teléfonos inteligentes hasta los automóviles, pasando por las instalaciones industriales y los electrodomésticos del hogar, el progreso en esta área ha sido la fuerza impulsora detrás de la revolución digital.
Esta revista busca proporcionar una visión profunda y técnica sobre los dispositivos electrónicos y los circuitos integrados que son esenciales en la industria actual. Exploraremos temas fundamentales que abarcan desde los materiales semiconductores hasta los dispositivos más avanzados, con un enfoque especial en su funcionamiento, aplicaciones y tendencias futuras.
El desarrollo de la electrónica ha sido fundamental para el avance de la humanidad. Los dispositivos electrónicos y los circuitos integrados han cambiado por completo la forma en que vivimos, trabajamos y nos comunicamos. Desde los materiales semiconductores, que constituyen la base de estos dispositivos, hasta los sistemas avanzados de integración de circuitos, cada componente ha jugado un papel crucial en el crecimiento tecnológico.
Esta revista explora cada uno de estos componentes, proporcionando una visión clara y concisa de su funcionamiento, sus características técnicas y sus aplicaciones en la vida cotidiana. Además, analizamos las últimas tendencias en tecnología electrónica, que marcarán el rumbo de los dispositivos del futuro.
Introducción a los dispositivos electrónicos
Materiales Semiconductores
Diodo Semiconductor, Zener y Túnel
Varicap y Celdas Solares
Termistores y Dispositivos Fotoconductores
Transistores Bipolares, de Efecto de Campo y de
Mono Unión
Rectificador Controlado de Silicio (SCR); Diac y
Triac y Optoaisladores
Circuitos Integrados, Circuitos Integrados de
Película Delgada y Gruesa y Circuitos Integrados
Híbridos
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Conclusiones
INTRODUCCIÓN A: Los
Dispositivos electrónicos y circuitos integrados.
Introducción General: Historia y Evolución de los
Electrónicos y Circuitos Integrados
Inicios de la electrónica
La historia de los dispositivos electrónicos tiene sus raíces a finales del siglo XIX, cuando se descubrieron las propiedades de los electrones y el control de la corriente eléctrica. El desarrollo inicial de la electrónica fue impulsado por el descubrimiento del tubo de vacío en 1904 por el físico inglés John Ambrose Fleming, quien creó el primer dispositivo que permitía la amplificación de señales eléctricas. Estos tubos de vacío fueron fundamentales en las primeras radios, sistemas telefónicos y computadoras.
El avance hacia los semiconductores
A mediados del siglo XX, la investigación en materiales semiconductores como el germanio y el silicio permitió un gran avance en la electrónica.
En 1947, los científicos de Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, inventaron el transistor, el primer dispositivo semiconductor capaz de controlar corrientes eléctricas sin necesidad de tubos de vacío. Este invento no solo revolucionó la electrónica, sino que marcó el inicio de la miniaturización de los dispositivos electrónicos.
Nacimiento del circuito integrado
En 1958, Jack Kilby de Texas Instruments y Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventaron de manera independiente el circuito integrado (CI). Un circuito integrado es un dispositivo en el que se combinan múltiples componentes electrónicos, como transistores, resistencias y condensadores.
El CI eliminó la necesidad de interconectar manualmente componentes discretos, lo que redujo significativamente el tamaño y el costo de los dispositivos electrónicos, además de mejorar su rendimiento.
Dispositivos electrónicos y circuitos integrados en la actualidad
Hoy en día, los dispositivos electrónicos y los circuitos integrados están presentes en casi todos los aspectos de la vida cotidiana, desde teléfonos inteligentes y automóviles hasta dispositivos médicos y satélites. Además, la introducción de nuevos materiales como el grafeno y el uso de tecnologías como la fotónica y los chips cuánticos apuntan hacia una nueva generación de dispositivos electrónicos que superarán las limitaciones actuales en cuanto a velocidad, eficiencia energética y capacidad de procesamiento.
En resumen, la evolución de los dispositivos electrónicos y los circuitos integrados ha sido impulsada por descubrimientos científicos fundamentales y avances tecnológicos que han permitido la creación de productos más pequeños, rápidos y accesibles. Desde los primeros tubos de vacío hasta los microchips actuales, esta evolución ha transformado por completo la manera en que interactuamos con el mundo tecnológico.
Materiales semiconductores
Materiales Semiconductores: definición e importancia
Los materiales semiconductores son un tipo de sustancia que tiene propiedades eléctricas intermedias entre los conductores (como el cobre o el aluminio) y los aislantes (como el vidrio o la madera). La característica clave de los semiconductores es que su capacidad para conducir electricidad no es fija, sino que puede ser manipulada bajo ciertas condiciones, como la adición de impurezas (proceso conocido como dopado) o la exposición a la luz, el calor o un campo eléctrico.
Importancia de los Semiconductores
Los materiales semiconductores son fundamentales para la industria electrónica debido a su capacidad única de controlar el flujo de electricidad de una manera eficiente y flexible. Algunos de los principales aspectos de su importancia son:
Los semiconductores son los componentes básicos de una gran variedad de dispositivos, como diodos, transistores y circuitos integrados, que forman parte de casi todos los productos electrónicos modernos, desde teléfonos inteligentes hasta computadoras y electrodomésticos.
Los dispositivos basados en semiconductores son mucho más eficientes energéticamente que sus predecesores basados en tubos de vacío.
La invención del transistor y los circuitos integrados de silicio impulsó la revolución digital y las telecomunicaciones modernas. Todo dispositivo electrónico de procesamiento de datos, desde computadoras hasta servidores en la nube, depende de semiconductores para funcionar.
Diodo semiconductor, Zener y Túnel
Diodo Semiconductor
El diodo semiconductor es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Está formado por una unión PN, donde la combinación de dos materiales semiconductores con diferentes tipos de dopaje crea una barrera de potencial que solo deja pasar la corriente en un sentido.
El diodo semiconductor se utiliza comúnmente en fuentes de alimentación para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), un proceso conocido como rectificación. En una fuente de alimentación básica, un transformador baja el voltaje de la red eléctrica, y luego el diodo semiconductor se encarga de rectificar la corriente, permitiendo que solo pase el componente positivo de la señal.
Ejemplo práctico: en los cargadores de dispositivos móviles, se utiliza un puente rectificador formado por cuatro diodos semiconductores. Este conjunto convierte la corriente alterna que sale del enchufe en corriente continua, necesaria para cargar la batería de un teléfono móvil.
Diodo Zener
El diodo Zener es un tipo especial de diodo diseñado para operar en condiciones de polarización inversa. Este diodo es utilizado en reguladores de voltaje, ya que permite mantener un voltaje constante en una carga, incluso si la corriente que pasa a través del diodo varía.
El diodo Zener se emplea principalmente en circuitos de regulación de voltaje. A diferencia del diodo semiconductor común, el diodo Zener permite el paso de corriente en dirección inversa cuando el voltaje alcanza un valor específico, llamado voltaje Zener. Esto lo convierte en un dispositivo ideal para mantener un voltaje constante a través de una carga, incluso cuando hay variaciones en la fuente de alimentación.
Ejemplo práctico: en una fuente de alimentación regulada, el diodo Zener se coloca en paralelo con la carga para estabilizar el voltaje de salida. Por ejemplo, en una fuente de alimentación de 12V, si la tensión de entrada fluctúa entre 14V y 18V, el diodo Zener de 12V limitará el voltaje en 12V, protegiendo los componentes electrónicos conectados.
Diodo Túnel
El diodo túnel, debido a su estructura y al fenómeno de túnel cuántico, permite la conducción en ambas direcciones y es utilizado en circuitos de alta frecuencia y en aplicaciones como osciladores y amplificadores de microondas.
El diodo túnel se caracteriza por su comportamiento de resistencia negativa, lo que significa que cuando se aumenta la tensión, la corriente inicialmente disminuye antes de volver a aumentar. Este fenómeno es útil en la creación de osciladores y amplificadores de alta frecuencia.
Ejemplo práctico: el diodo túnel se utiliza en osciladores de microondas para generar señales de alta frecuencia que se emplean en sistemas de comunicaciones como radar y microondas. En estos osciladores, el diodo túnel ayuda a producir frecuencias de gigahercios (GHz), que son esenciales para aplicaciones de radiofrecuencia y telecomunicaciones.
Varicap y celdas solares
¿Qué es un Varicap?
El varicap, también conocido como diodo de capacitancia variable o diodo varactor, es un tipo especial de diodo semiconductor cuya capacitancia varía en función del voltaje aplicado en sus terminales. Funciona en polarización inversa, es decir, cuando se aplica una corriente inversa al diodo, no permite el paso de la corriente, pero su capacidad para almacenar carga (capacitancia) cambia en función de esa tensión.
La capacitancia de un varicap se puede ajustar de manera controlada, lo que lo hace útil en aplicaciones donde se necesita modificar la frecuencia de un circuito sin componentes mecánicos móviles.
Importancia del Varicap
Es importante en diversas aplicaciones electrónicas debido a su capacidad para ajustar la frecuencia y la sintonización de circuitos de una manera precisa y eficiente. Algunas de sus aplicaciones clave son:
Los varicaps se utilizan comúnmente en radios, televisores y equipos de telecomunicaciones para ajustar la frecuencia sin necesidad de usar componentes mecánicos. Por ejemplo, en un sintonizador de televisión, un varicap se utiliza para cambiar entre diferentes canales al ajustar electrónicamente el circuito resonante.
Al modificar la capacitancia, el varicap puede cambiar las características de un circuito resonante, lo que es útil en antenas de telecomunicaciones y filtros de señales.
¿Qué son las Celdas Solares?
Las celdas solares o celdas fotovoltaicas son dispositivos electrónicos que convierten la energía solar directamente en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Están fabricadas principalmente con materiales semiconductores, como el silicio, que absorben fotones de la luz solar y generan un flujo de electrones, creando así una corriente eléctrica.
Importancia de las celdas solares
Las celdas solares son fundamentales en la transición hacia fuentes de energía renovable y limpia, desempeñando un papel clave en la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles y en la lucha contra el cambio climático.
Su importancia se destaca en los siguientes aspectos:
Las celdas solares producen electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminación del aire.
Esto contribuye a reducir la huella de carbono y mitigar los efectos del cambio climático.
Las celdas solares permiten generar electricidad en cualquier lugar con suficiente luz solar, lo que es esencial en áreas remotas o fuera de la red eléctrica. Esto proporciona independencia energética y puede ser una solución crucial para comunidades sin acceso a infraestructuras eléctricas tradicionales.
¿Qué es un Termistor?
Un termistor es un tipo de resistor cuya resistencia varía de manera significativa con los cambios de temperatura. Los termistores están hechos de materiales semiconductores y se clasifican principalmente en dos tipos:
NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo): su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura.
PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo): su resistencia aumenta cuando la temperatura sube.
La relación entre la temperatura y la resistencia es mucho más pronunciada en los termistores que en los resistores estándar, lo que los hace extremadamente sensibles a las variaciones de temperatura.
Importancia de los Termistores
Los termistores son importantes debido a su sensibilidad a la temperatura, lo que los convierte en componentes clave en aplicaciones de control y monitoreo térmico. Algunas de las aplicaciones más relevantes incluyen:
Se utilizan ampliamente en termostatos, dispositivos médicos y automóviles para medir la temperatura y mantener sistemas en condiciones de funcionamiento seguras y eficientes.
Los termistores se emplean en dispositivos que necesitan ajustar su rendimiento en función de las variaciones de temperatura. Por ejemplo, en sistemas electrónicos complejos, los termistores pueden compensar los cambios de resistencia en otros componentes cuando la temperatura ambiental varía.
Dispositivos fotoconductores: definición e importancia
Los dispositivos fotoconductores son materiales o componentes cuya conductividad eléctrica cambia en función de la cantidad de luz a la que están expuestos.
El principio básico de un dispositivo fotoconductor es que, en la oscuridad, tiene una alta resistencia (poca corriente fluye a través de él), pero cuando se expone a la luz, la resistencia disminuye y la corriente fluye más fácilmente. Este fenómeno es conocido como efecto fotoconductor.
Los dispositivos fotoconductores son fundamentales en una amplia gama de aplicaciones donde se requiere una respuesta a la luz o una detección de niveles de luz. Algunas de sus aplicaciones más importantes incluyen:
Se utilizan en fotocélulas y fotorresistores para aplicaciones como la detección de luz ambiental en lámparas automáticas, que se encienden cuando oscurece, o en cámaras de seguridad que activan un sistema de grabación cuando detectan cambios en la iluminación.
Los dispositivos fotoconductores se utilizan en equipos médicos como oxímetros de pulso para medir los niveles de oxígeno en la sangre mediante la detección de la luz que pasa a través de los tejidos. También se emplean en sensores de fuego y humo, ya que estos dispositivos detectan cambios en la luz causados por el humo en el ambiente.
Transistores de Efecto de Campo (FET), Transistor de Monounión (UJT) y Transistores Bipolares (BJT)
Rectificador Controlado de Silicio (SCR)
El SCR es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se utiliza en el control de grandes cantidades de energía eléctrica, como en el control de motores y sistemas de potencia.
Diac y Triac
El diac y el triac son dispositivos utilizados para el control de corriente alterna. Mientras que el diac conduce corriente en ambas direcciones cuando se supera un cierto umbral de voltaje, el triac puede controlar grandes cantidades de energía, lo que los hace ideales para aplicaciones como dimmers de luz y control de velocidad en motores.
Optoaisladores
Los optoaisladores permiten transmitir señales eléctricas entre dos circuitos sin que haya una conexión directa, utilizando luz para aislar eléctricamente los dos lados del circuito. Son esenciales en aplicaciones donde es necesario evitar interferencias o peligros de cortocircuitos.
Circuitos Integrados
Los circuitos integrados (CI) son conjuntos de dispositivos electrónicos que realizan diversas funciones en un espacio reducido. Se fabrican sobre una única pieza de material semiconductor, y pueden albergar miles o millones de componentes, lo que permite la creación de sistemas complejos y altamente eficientes.
Circuitos Integrados de Película
Delgada y Gruesa
Estos circuitos están fabricados utilizando técnicas de deposición de materiales sobre un sustrato.
Los de película delgada son utilizados en aplicaciones que requieren alta precisión, mientras que los de película gruesa son más robustos y menos costosos de fabricar.
Circuitos Integrados Híbridos
Los circuitos híbridos combinan diferentes tipos de componentes en un solo módulo, lo que permite aumentar la funcionalidad y reducir el tamaño del sistema. Son utilizados en aplicaciones que requieren alta densidad de componentes y un rendimiento superior.
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Mantente al tanto de las últimas noticias. Lee los siguientes artículos:
https://forbescentroamerica com/2024/05/24/los-semiconductores-en-la-cadena-desuministro-avances-desafios-y-perspectivas-globales
Revolución energética: avances en energía solar y eólica
https://www.industriaquimica.es/noticias/20240821/revolucio n-energetica-avances-en-energia-solar-eolica
Conclusiones
Los dispositivos electrónicos y circuitos integrados representan el corazón de la tecnología moderna, impulsando una amplia gama de aplicaciones que van desde la informática y las telecomunicaciones hasta la energía renovable y los sistemas médicos. La evolución de estos componentes ha sido fundamental para el desarrollo de sistemas más eficientes, compactos y potentes, permitiendo avances tecnológicos que han transformado profundamente nuestra vida cotidiana.
En primer lugar, los materiales semiconductores, como el silicio, son la base de muchos dispositivos electrónicos. Su capacidad para cambiar de conductores a aislantes bajo ciertas condiciones permite la creación de una amplia variedad de componentes electrónicos, como diodos y transistores.
Los diodos semiconductores, como el diodo Zener y el diodo túnel, son componentes esenciales que controlan el flujo de corriente eléctrica en una sola dirección o en condiciones específicas de voltaje. Estos diodos juegan un papel clave en la rectificación, regulación de voltaje y en la creación de osciladores de alta frecuencia, fundamentales en fuentes de alimentación y sistemas de telecomunicación.
Dispositivos como los varicaps y las celdas solares muestran la versatilidad de los semiconductores en aplicaciones avanzadas. Los varicaps son cruciales en la sintonización electrónica sin componentes mecánicos, mientras que las celdas solares son vitales en la transición hacia un futuro más sostenible, aprovechando la energía solar para generar electricidad limpia y renovable.