GUIA DIDACTICA DE ELECTRONICA N º6 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S.

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1 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S. TECNOLOGIA DECIMO SEGUNDO 6 DOCENTE(S) DEL AREA:NILSON YEZID VERA CHALA COMPETENCIA: USO Y APROPIACION DE LA TECNOLOGIA NIVEL DE COMPETENCIA: INTERPRETATIVA SABER: SEMICONDUCTORES 2. MOTIVACION AMBIENTACIÓN - SENSIBILIZACIÓN TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES Mira este video Número Atómico Nombre del Elemento Grupo en la Tabla Periódica Categoría Electrones en la última órbita Números d valencia 48 Cd (Cadmio) IIa Metal 2 e B (Boro) 13 Al (Aluminio) 31 Ga (Galio) 49 In (Indio) 14 Si (Silicio) 32 Ge (Germanio) 15 P (Fósforo) 33 As (Arsénico) 51 Sb (Antimonio) 16 S (Azufre) 34 Se (Selenio) IIIa IVa Va VIa Metaloide 3 e - +3 Metal Metaloide 4 e - +4 No metal 5 e - +3, -3, +5 Metaloide No metal 52 Te (Telurio) Metaloide 3. ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE Propiedades físico-químicas de los semiconductores 6 e - +2, -2 +4, + Los semiconductores son cuerpos que, a bajas temperaturas son aislantes, pero se convierten en malos conductores a temperatura ambiente. CONDUCTOR SEMICONDUCTOR AISLANTE

2 Cobre Silicio Mica 0,01786 W mm 2 /m W mm 2 /m W mm 2 /m El silicio es uno de los elementos más abundantes en la naturaleza y uno de los más utilizados como semiconductor en la construcción de componentes electrónicos. Otros semiconductores empleados son el germanio y en menor medida el selenio. También son semiconductores algunos compuestos como el arseniuro de galio, el fosfuro de indio o el sulfuro de plomo. Además, con ciertas modificaciones en su estructura cristalina, se puede mejorar la capacidad de los semiconductores de establecer corrientes eléctricas. Estructura cristalina Los átomos están formados por un núcleo constituido por protones y neutrones que aportan la mayor parte de la masa del átomo y una corteza formada por electrones de masa mucho menor que giran en torno al núcleo en órbitas circulares o elípticas muy alejadas del centro del núcleo. Los protones tienen carga positiva y atraen a los electrones de carga negativa que se mantienen alejados por la fuerza centrífuga de su giro. Los electrones sólo pueden situarse en ciertas órbitas cada vez más alejadas del núcleo y en cada órbita sólo puede haber un cierto número de electrones. Son de especial relevancia los electrones que se sitúan en la órbita más alejada, llamados electrones de valencia. Los átomos son más estables cuando su última capa u órbita está completa o cuando tienen 8 electrones en la última capa. Los átomos con la última capa completa son muy estables y no ceden sus electrones con facilidad por lo que las sustancias constituidas por este tipo de átomos son buenos aislantes. Los átomos con sólo uno o dos electrones en la última capa tienen predisposición a perderlos. Dada la movilidad de los electrones en las sustancias formadas por este tipo de átomos dan lugar a buenos conductores. Enlace covalente Aquellos átomos que poseen menos de cuatro electrones en la última capa (incompleta), pierden estos electrones con facilidad cediéndolos a otros átomos vecinos. Así consiguen que su última capa (penúltima en realidad) quede completa. Aquellos átomos que poseen más de cuatro electrones en la última capa (incompleta), tienden a

3 ganar los electrones que les faltan para completar 8 en la última capa, ganándolos a otros átomos vecinos. Cuando un átomo cede electrones a otro, ambos quedan cargados con diferente polaridad (uno por ganar electrones y el otro por perderlos) apareciendo fuerzas de atracción que los mantienen unidos. Es el enlace iónico. Cuando se encuentran átomos con cuatro electrones en la última capa, tienen igual tendencia a ganar otros cuatro electrones que a perderlos y lo hacen con gran dificultad. En este caso lo que ocurre es que los átomos comparten sus electrones de valencia, haciendo que cada átomo tenga 8 electrones en la última capa, cuatro propios y otros cuatro de átomos vecinos. Se trata del enlace covalente, que forma cristales característicos donde cada átomo se rodea de otros cuatro átomos iguales, compartiendo sus cuatro electrones, uno con cada átomo vecino, a la vez que cada átomo vecino comparte un electrón con él (y otros tres con otros tres átomos vecinos). En un átomo, los electrones se distribuyen en capas y a cada capa corresponde una energía. Para pasar de una capa a otra el electrón debe adquirir una energía igual a la diferencia de energía entre las dos capas. Bandas de energía En un cuerpo sólido, las capas constituyen bandas de energía:

4 Banda prohibida: Banda permitida: Banda de valencia: Banda de conducción: Espacio entre capas donde el electrón no puede encontrarse. Nivel de energía correspondiente a una capa donde puede encontrarse el electrón. Ultima banda de energía ocupada por electrones a cero grados absolutos. Banda de energía que sigue a la de valencia y que a cero grados absolutos está vacía. La conducción A una temperatura de cero grados absolutos, los electrones se encuentran en las bandas de energía más bajas. Si la última banda de energía, banda de valencia, está completa, los electrones no pueden desplazarse y dan lugar a los aislantes. Si la banda de valencia está incompleta, la conducción es posible por desplazamiento de los electrones dando lugar a los conductores. En el caso de los semiconductores, la banda de valencia está completa, siendo aislantes a bajas temperaturas, pero la banda prohibida hasta la siguiente banda de energía, llamada banda de conducción, es muy pequeña, del orden de 1 electrón-voltio. La energía necesaria para pasar electrones de la banda de valencia a la de conducción es pequeña y a temperatura ambiente ya existen electrones en la banda de conducción y huecos en la de valencia, lo que permite la conducción. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos Los semiconductores son cuerpos como, por ejemplo, el selenio, el germanio y el silicio que en condiciones normales son aislantes, pero con ciertas modificaciones de su organización molecular se pueden convertir en conductores. El procedimiento más habitual para conseguirlo consiste en introducir en el interior de estos materiales sustancias con una estructura atómica determinada, proceso que recibe el nombre de

5 dopado. Semiconductores intrínsecos Son semiconductores intrínsecos aquellos cristales que permanecen puros. Un cristal de silicio se considera intrínseco si sólo contiene silicio en su estructura. El silicio es un cuerpo cristalino con cuatro electrones de valencia que, para obtener los 8 electrones de valencia que hacen estable a cualquier cuerpo, rodea cada una de sus moléculas de otras cuatro mediante enlaces covalentes. En estas condiciones, a temperaturas cercanas al cero absoluto (- 273ºC) el silicio es aislante, ya que no existen en su seno electrones libres capaces de establecer una corriente eléctrica. Sin embargo, la energía necesaria para que un electrón de la última capa rompa el enlace covalente y pase a un nivel de energía superior es bastante pequeño, del orden de 1 ev. A temperatura ambiente, algunos electrones se liberan pasando a una banda de energía superior. Esto convierte al silicio en conductor, puesto que estos electrones pueden moverse de un átomo a otro con cierta libertad, creando una corriente eléctrica que mediante la polarización del cristal puede orientarse y mantenerse. Así mismo, el hueco dejado por el electrón, puede ser rellenado por un electrón de un átomo vecino, pasando el hueco a éste. Este efecto da la impresión de una corriente de huecos o cargas positivas que se desplazan en dirección contraria a los electrones.

6 A unos 20ºC el número de electrones libres que ha alcanzado la banda de conducción no es suficiente para poder establecer una corriente eléctrica importante, por lo que no se le puede considerar ni buen conductor ni buen aislador. Es por este motivo que a estos cuerpos se les denomina semiconductores. Semiconductores extrínsecos Se conocen así a los cristales sometidos a un proceso que introduce impurezas de otros elementos en la estructura cristalina del semiconductor, consiguiendo aumentar el número de electrones libres y huecos para aumentar la conductividad del cristal. Semiconductor tipo N Cuando en un cristal de silicio con 4 electrones de valencia por átomo, se introducen algunos átomos de antimonio, arsénico o bismuto, que poseen 5 electrones de valencia, se producen enlaces covalentes incompletos dando lugar a cargas negativas libres en el cristal. A esta operación se la llama dopado y las impurezas introducidas aumentan considerablemente la movilidad electrónica del conjunto. A estas impurezas pentavalentes se las denomina donantes. En un semiconductor tipo N existe un mayor número de electrones libres que de huecos y la corriente está formada mayoritariamente por electrones libres, por ello a los electrones se les denomina portadores mayoritarios y a los huecos portadores minoritarios. Semiconductor tipo P

7 Si al silicio en estado puro se le introducen impurezas que, como el indio, el aluminio, el galio o el boro, sólo dispongan de tres electrones de valencia, el enlace covalente será otra vez incompleto, quedando en el cristal huecos positivos sin rellenar por un electrón. Al rellenarse estos huecos por electrones cercanos da la impresión de desplazamiento del hueco como si fuese una carga positiva móvil. El dopado de tipo P también aumenta la conductividad del cristal, aún cuando la naturaleza del mismo sea diferente. A estas impurezas pentavalentes se las denomina aceptores. En un semiconductor tipo P existe un mayor número de huecos que de electrones libres y la corriente está formada mayoritariamente por huecos, por ello a los electrones se les denomina portadores minoritarios y a los huecos portadores mayoritarios. Responde las siguientes preguntas acerca del texto: 1. Qué es un semiconductor? 2. Cuáles son los elementos semiconductores más empleados? 3. Cuál es la condición de mayor estabilidad para un átomo en función de los electrones que posee en la última capa? 4. En qué consiste el enlace covalente? 5. Define brevemente lo que es la banda de energía denominada banda prohibida. 6. Explica lo que define a un aislante según la teoría de bandas de energía. 7. En qué se diferencia los semiconductores extrínsecos de los intrínsecos? 8. Qué nombre recibe el proceso de introducción de impurezas en un semiconductor? 9. Cuál es la valencia de las impurezas añadidas al silicio para formar un semiconductor tipo p? 10. Cuál es la valencia de las impurezas añadidas al silicio para formar un semiconductor tipo N? 11. Define brevemente lo que es la banda de energía denominada banda permitida. 12. Explica lo que define a un conductor según la teoría de bandas de energía. 13. Explica lo que define a un semiconductor según la teoría de las bandas de energía. 14. Cuáles son los portadores mayoritarios de un semiconductor tipo N y de donde proceden? 15. Cuáles son los portadores mayoritarios de un semiconductor tipo P y de dónde

8 proceden? 16. Define brevemente lo que es la banda de energía denominada banda de valencia. 17. De dónde proceden los portadores minoritarios de un semiconductor? 18. Define brevemente lo que es la banda de energía denominada banda de conducción. 19. Explica el proceso por el cual los huecos pueden producir corriente eléctrica en un semiconductor. 20. En qué tipo de semiconductor de germanio los huecos son portadores mayoritarios? con qué impurezas se puede dopar el germanio para conseguirlo? 4. EVALUACION Leyes fundamentales de la electricidad en el análisis de circuitos de corriente continua, para la selección de los componentes requeridos y el buen funcionamiento del mismo 5. ACTIVIDADES EXTRACLASE Consultar: Diferencias entre Corriente alterna y Corriente Directa. 6. WEBGRAFIA y/o BIBLIOGRAFIA alterna_1.htm _electrica_5.htm