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Electrónica PRÁCTICA 17: SEMICONDUCTORES

Teoría 1: Conductores y aislantes La corriente eléctrica es el movimiento de los electrones. Los electrones se mueven porque en los materiales hay electrones “libres”, es decir, que tienen la capacidad de desplazarse. Los materiales en los que hay electrones libres se les conoce como conductores. Un átomo tiene electrones que se distribuyen en capas. Pero los electrones libres sólo se encuentran en la última capa, la más exterior. En el dibujo inferior es el tercer nivel. Se llaman electrones de valencia. Así que para que sea conductor, un átomo necesita electrones de valencia libres.

Si la materia no tiene electrones libres, tenemos los aislantes. ¿Y por qué son electrones libres?. Porque son electrones que no se utilizan para formar uniones con otros átomos, es decir, no se usan para formar moléculas. ¿Cómo sabemos los electrones de valencia de un elemento químico?. Con la Tabla Periódica.


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Práctica 1: Conductores Observando la tabla periódica, indica que elementos químicos tienen más electrones libres o de valencia, y por tanto, son mejores conductores. Teoría 2: El Silicio y los enlaces Existen materiales que en condiciones normales son aislantes, pero que con modificaciones a nivel molecular se pueden convertir en conductores. Para que circule corriente eléctrica, se necesitan electrones libres en las últimas órbitas que se puedan mover. En los semiconductores, estos electrones se libran de forma artificial. Y por tanto tendremos conductores. Ejemplos de estos materiales son el Silicio, el Germanio y el Selenio. ¿Cómo conseguimos que sean conductores?. Introduciendo en el material otras sustancias determinadas distintas. Habitualmente se explica con el Silicio (Si).

El Silicio tiene 4 electrones de valencia. Si recordamos, ésto quiere decir que en la órbita exterior hay 4 electrones. Para que un átomo sea estable, necesita 8 electrones de valencia. Pero el Silicio tiene 4. ¿Cómo logra la estabilidad?. Pues busca electrones en otros átomos que estén cerca, así forman una molécula. Hasta aquí todo normal, los átomos comparten electrones y quedan unidos. Se conoce como enlace covalente. Sin embargo, para lograr la estabilidad, no puede compartir los 4 electrones a la vez con un único átomo. Así que tendrá que buscar 4 átomos, de Silicio. Con cada uno comparte un electrón. Como se muestra en el dibujo.


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Así que en un enlace covalente, los átomos comparten electrones para lograr estabilidad, formando moléculas. Cuando es estable, es aislante, pues no hay electrones libres y no hay corriente eléctrica. Práctica 2: Responde. ¿Es el silicio un aislante? Teoría 3: Impurezas ¿Tienen todos los elementos justamente 4 electrones de valencia? No, por ejemplo hay elementos que tienen 5 (antimonio, arsénico, fósforo). Otros tienen 3 electrones de valencia (aluminio, boro, galio). ¿Podría suceder que nuestro Silicio compartiera un electrón con algún elemento de éstos?. Sí. Se realiza de forma artificial y se conoce como impureza. Práctica 3: Busca Busca un elemento no mostrado anteriormente que también pueda considerarse como impureza. Es decir, que lo podamos unir de forma artificial a nuestro silicio. Teoría 4: Semiconductor Tipo N. Supongamos que uno el Silicio con el Fósforo. El Fósforo tiene 5 electrones libres. El Silicio tenía 4.  Un electrón del Fósforo se une con un electrón del Silicio.  Otro electrón del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio (puesto que no puede unirse de nuevo con el fósforo).  Un tercer electrón del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio  Un cuarto electrón del Fósforo se unirá con un electrón de otro átomo de Silicio.  Y un quinto electrón del Fósforo… queda libre. No tiene posibilidad de unirse con el Silicio, puesto que el Silicio buscará Silicio para unirse.


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Al añadir al Silicio el Fósforo, hemos conseguido un electrón de valencia suelto, libre. Y si está libre, puede circular corriente eléctrica.

Cuando añadimos al Silicio un material con 5 electrones de valencia, tenemos Silicio Tipo N. Práctica 4: Averigua. ¿Qué sucedería si juntamos el Silicio con el Selenio? Teoría 5: Semiconductor Tipo P Unimos Silicio con Boro. Silicio, tiene 4 electrones de valencia. El Boro, tiene 3.     

Un electrón del Boro se une con un electrón del Silicio. Otro electrón del Boro se une con un electrón de un átomo distinto del Silicio. Un tercer electrón del Boro se une un electrón de otro átomo de Silicio. Y habrá un átomo de Silicio que se va a quedar sin poder compartir un electrón. Ese átomo del Silicio que se ha quedado sin poder compartir un electrón, simula que lo comparte, pero en realidad no lo hace.

Decimos que el Boro tiene un hueco.

¿Qué es un hueco?. Pues aquí llega la dificultad.


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Un hueco es una carga positiva. Con las mismas propiedades que el electrón, pero su carga es positiva. Si el hueco se mueve, pues también tenemos corriente eléctrica. Así que ahora, sobrará un hueco, y puede circular corriente. Cuando añadimos al Silicio un material con 3 electrones de valencia, tenemos Silicio Tipo P. Práctica 5: Comprender. ¿Qué es un hueco? Teoría 6: Dopaje Se llama dopaje a la introducción de impurezas para formar semiconductores del tipo N o P. Práctica 6: Busca Busca información sobre como se realiza el dopaje para crear un semiconductor. Teoría 7: El diodo El diodo es el ejemplo más sencillo de semiconductores. Se forma al juntar un semiconductor tipo N con un semiconductor tipo P. Un semiconductor tipo N tiene un exceso de electrones libres. Un semiconductor tipo P tiene un defecto de electrones, o exceso de huecos libres, es decir, tiene carga positiva.

Diodo: unión P-N Podríamos pensar, que si juntamos un elemento con exceso de carga negativa (Tipo N), y un elemento con exceso de carga positiva (Tipo P), ambos elementos se produciría una corriente eléctrica de la parte negativa a la positiva que anulase todo. Sería lo lógico, pero no es lo que sucede.


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En la zona de unión P-N aparece una barrera de repulsión, una tensión lo suficientemente grande para que no haya corriente eléctrica. Su valor es aproximadamente 0´7 V.

Práctica 7: El diodo Busca la hoja de características del diodo 1N4001. Teoría 8: Polarización inversa del diodo En la unión anterior, evidentemente, la parte izquierda tiene una carga negativa y la derecha positiva (imagen inferior). Si colocamos una pila en sus extremos, de tal forma que el borne negativo se aplique directamente al Tipo P y el positivo al Tipo N, tenemos la llamada polarización inversa del diodo.

Lo que sucederá aquí es que los electrones libres del semiconductor N se sentirán atraídos por el polo positivo de la batería, y los huecos por el polo negativo, por lo que se crea un vacío en la unión P-N que hace que no circule corriente a través del mismo. De todas formas, siempre circulará una pequeña corriente de fuga que ya hemos apreciado en la práctica del diodo, y que se llama corriente inversa del diodo. Práctica 8: Polarización inversa del diodo Con la ayuda de Multisim conecta el diodo en polarización inversa. Teoría 9: Polarización directa del diodo Conectamos ahora la pila de manera que el polo positivo coincida con el semiconductor Tipo P y el polo negativo haga lo propio con el Tipo N. Del borne negativo salen electrones que se juntarán a los del semiconductor N. Dicho polo repele además a los electrones libres del semiconductor N, empujándolos hacia el P.


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Ahora la tensión es suficiente para vencer la barrera de potencial entre semiconductores , por eso los electrones son capaces de saltar hacia el semiconductor P. Se produce una neutralización de electrones con los huecos del tipo P. Los electrones caen en los huecos y se convierten en electrones libres. Como son libres, seguirán su movimiento atraídos hacia el polo positivo de la pila. Se ha logrado que circule corriente, y tenemos así un diodo.

Práctica 9: Polarización directa del diodo Con la ayuda de Multisim conecta el diodo en polarización directa. Desde 0 V vete aumentando la tensión hasta lograr vencer la tensión. ¿Qué valor tiene esa tensión que debemos vencer? Teoría 10: Breve historia de los Transistores La primera aplicación de los semiconductores fueron los transistores. Su invención se debe a John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley en el año 1947. Hubo una gran polémica, quizás de la más triste en el mundo de la ciencia, por la autoría del hallazgo. Finalmente, todos conseguirían el Nobel de Física. Se podría considerar uno de los mayores inventos de la historia. Supuso una auténtica revolución con la llegada de los circuitos integrados. Previamente, se había descubierto lo que podríamos considerar un diodo casero. Sobre esa base ya trabajaba el equipo.


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Hablaremos de los transistores en el siguiente punto.

Primer Transistor Los transistores más sencillos son los conocidos como bipolares: de unión N-P-N o de unión P-N-P. Los transistores tienen tres terminales de conexión y se encuentran en el interior de un encapsulado.


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Práctica 10: Historia Busca información sobre los problemas que tuvieron los creadores del transistor entre sí. ¿Ganó alguno de ellos algún otro Premio Nobel? Teoría 11: El transistor bipolar Un transistor bipolar es la unión de semiconductores tipo P y N, algo parecido a un diodo. Con la salvedad que necesitaremos tres semiconductores. Existen dos tipos de transistores bipolares PNP y NPN. Como decimos son tres elementos, y por tanto 3 terminales. PNP: Semiconductor P, Semiconductor N, Semiconductor P. NPN: Semiconductor N, Semiconductor P, Semiconductor N. Los terminales reciben nombre: Emisor, Base y Colector.

El símbolo del transistor PNP tiene una flecha hacia dentro. Para recordarlo, hay un truco, PeNetra. El colector es semiconductor Tipo P. La base es Tipo N. El emisor es Tipo P.


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El anterior es el símbolo del transistor NPN. Vemos que hay un flecha que se dibuja hacia fuera. Existe un truco, que consiste en decir que No PeNetra. El colector es semiconductor Tipo N. La base es Tipo P. El emisor es Tipo N. Vamos a intentar ver cómo funciona un transistor, algo difícil. Probaremos exclusivamente con un NPN.      

La base es una especie de llave de un grifo. Variando la tensión en la base (respecto al emisor) abrimos o cerramos la llave. Con la llave del grifo circula más o menos agua. Con la base se controla la intensidad de corriente del colector. La corriente fluye del colector al emisor. La corriente de salida es proporcional a la corriente de entrada.

La mayor utilidad que tenían los transistores era el amplificador. Puesto que serían necesarios 4 terminales, y ya hemos comentado que un transistor tiene 3, no quedará otro remedio que usar una de esas terminales como terminal común a la entrada y a la salida. Entonces hay tres configuraciones posibles: que el emisor sea común, que la base sea común o que el colector sea común. Un transistor es muy complejo, y hoy en día no se utiliza en este sentido. Para amplificar se usan otros elementos, pero debemos pensar que en su interior siempre están formados por transistores. Práctica 11: El transistor bipolar NPN  Localiza en Multisim un transistor NPN, en concreto el 2N2222.  Busca en Internet información sobre dicho transistor 2N2222 para ver sus caracterísiticas (tensiones a las que funciona, corriente,…)  Realiza el siguiente circuito.


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 Aplicar una tensión entre la base y el emisor, es lo mismo que aplicar una tensión entre un semiconductor Tipo P y otro N.  Por tanto, es como tener un diodo en polarización directa (no lo hagas, simplemente observa el esquema), y se enciende el led.

Circuito equivalente a unión B-E  Entonces, si conectásemos la pila con el borne positivo al Emisor y el negativo a la base, no debería funcionar el led. Compruébalo. Es equivalente a un diodo en polarización inversa.

 Ahora prueba tú: ¿Qué sucede y por qué?


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Realiza el siguiente esquema. ¿Qué sucede y por qué?

Hemos hecho conexiones entre colector y base o entre emisor y base. Ahora hagamos entre colector y emisor. ●

Realiza el siguiente esquema:

● En este caso, vemos que no se enciende el led. ● El motivo: los electrones del emisor son repelidos por el borne negativo de la pila, mientras que los electrones del colector son atraídos por el polo positivo. Según lo que comento hay una corriente eléctrica, pero sin embargo los electrones del emisor no tienen fuerza suficiente para superar la barrera de potencial que hay en las uniones de los semiconductores. 

Realiza el último esquema.


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o

Tampoco funcionará el led. El motivo, el mismo que el caso anterior.

______________________________________________________________________  Acabamos de ver que si conectamos los extremos de una pila al colector y al emisor, no circularía corriente. Importante, hemos dejado sin tensión la base. 

Hagamos lo mismo, pero a la vez que llegue corriente a la base.

Nota que el siguiente símbolo sigue siendo un transistor bipolar NPN.

Realiza el siguiente esquema.

o

¿Por qué circula ahora corriente?.

o

La pila de 2 V se aplica sobre la base respecto al emisor.

o

Es una unión P-N, por tanto, es como un diodo polarizado directamente.

o Por tanto, se rompe la barrera de potencial que impedía el paso de electrones del emisor al colector.


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o Como la diferencia de tensión entre colector-emisor es mayor que la diferencia de tensión entre base-emisor, los electrones se sentirán más atraídos por el borne positivo de la tensión del colector, es decir, 9 V. o Así se produce una elevada corriente de colector, que hace que se encienda el led. o o de emisor. o

Prueba a medir con un amperímetro la corriente de la base. Sin quitar lo anterior mide ahora también con un amperímetro la corriente Mide por último la corriente del colector.

o El número de electrones que vaya hacia el colector será mayor cuanto más valga la tensión de polarizacion base-emisor. o Prueba a cambiar la pila de 2 V por valores superiores y fíjate en la corriente del colector. Verás que varía alguna décima.


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