Fundamentos de electrónica

[pic 1]

[pic 2]

Fundamentos de electrónica

[pic 3][pic 4]

[pic 5]

TEORÍA ATÓMICA

Si tomamos un trozo de cable, nos podemos preguntar ¿Qué sucede si lo dividimos?, nuestra primera respuesta puede ser “tener dos trozos de cables”, ahora se pone interesante cuando realizamos la misma pregunta una y otra vez, eso mismo se ha preguntado el hombre desde hace muchos años. De hecho, los griegos enunciaron que llegaba un momento en que no se podía continuar dividiendo, a esta partícula la bautizaron como átomo (sin división).

Ahora analicemos el agua, a diferencia del cable, a temperatura ambiental y presión atmosférica, se encuentra liquida (estados de la materia).

Figura 1: Componentes del Agua

[pic 6]

Está se encuentra compuesta por moléculas (H2O) que es la forma química de indicar que posee dos átomos de hidrogeno (elemento químico) y un átomo de oxígeno. Ahora sería correcto preguntarse ¿Qué hay al interior del átomo?, si bien los griegos imaginaron que no existía algo más pequeño, la ciencia demostró que el átomo a su vez se encuentra construido por partículas más pequeñas, las denominaron partículas subatómicas (protón, neutrón y electrón).

Actividad 1: Realice una línea de tiempo en la que indique las distintas teorías atómicas identificando sus principales características.

Si queremos imaginarnos los átomos sería correcto compararlo con el sistema solar, donde el sol sería el núcleo atómico (protones y neutrones) y los planetas serían los electrones que orbitan el núcleo. La principal diferencia seria que la cantidad de electrones que orbitan (número atómico) es igual a la cantidad de protones que se encuentran el núcleo, y sin perder de vista que los electrones se mueven a la velocidad de la luz. [pic 7]

                                                                                    Figura 2: Átomo

Como se mencionó anteriormente, el numero atómico, indica la cantidad de protones y electrones que presenta cada átomo, es correcto pensar, si posee la misma cantidad de protones (+) y la misma cantidad de electrones (-) el estado magnético del átomo es cero, imaginemos que utilizamos una pinza exageradamente microscópica y podemos extraer un electrón, lo primero que nos pasaría seria que mientras más cerca del núcleo se encuentre, más fuerza necesitaríamos para extraerlo, y de forma inversa, mientras más alejado se encuentre menos energía lo mantiene unido al núcleo. Ahora que extrajimos el electrón, ¿Qué paso con nuestro átomo?, si analizamos de la misma forma, podemos “ver” que poseemos más protones (+) y menos electrones (-). Por lo que nuestro átomo, que sigue siendo el mismo elemento, pasa a llamarse Ion del elemento, específicamente Catión y en caso de que agreguemos un electrón Anión.

Figura 3: Diagrama Catión y Anión

[pic 8]

Actividad 2:  Dibuje las estructuras atómicas de los siguientes elementos Cu, Si, Al, Ga, B, As, Sb.

Enfocándonos en el último orbital, llamado orbital de valencia, esta zona permite interactuar con otros átomos, ya sea compartiendo electrones cediéndolos o recibiéndolos, estos se conocen como electrones libres. Lo anterior puede suceder tanto entre átomos del igual o distinto elemento.

https://es.khanacademy.org/science/biology/chemistry--of-life/electron-shells-and orbitals/a/the-periodic-table-electron-shells-and-orbitals-article

MATERIAL TIPO N y P

Si tenemos una estructura formada completamente de cobre (Cu), nos daremos cuenta que tiene muchos electrones libres, por lo cual se comporta como un conductor, se podría decir que es fácil para esa estructura compartir electrones entre sus átomos de forma aleatoria, por otro lado mirando la estructura del Argón (Ar) su número atómico es 18, siendo su primer orbital completo con 2 electrones, su segundo orbital igualmente lleno con 8 y el tercer orbital con 8 electrones, por lo tanto no puede intercambiar electrones, siendo entonces un aislante.

Actividad 3:  De acuerdo con la estructura del H2O identifique si es aislante o conductor.

Tomemos el átomo del silicio y juntamos muchos átomos de Si, formaremos lo que se conoce como estructura cristalina, pero el orbital de valencia quedara con 8 electrones, los cuatro propios más uno “prestado” por el superior, uno del inferior y dos de cada lado, por lo tanto, de clasificaría como un aislante.

Figura 4: Estructura SI (Silicio puro), Intrínseco

[pic 9]

Eliminemos un átomo de Si, y lo remplazamos por un elemento pentavalente (P, As, Sb), nos daremos cuenta que tenemos ahora una estructura con mayor cantidad de electrones, este proceso se llama dopaje, y el átomo que se introduce, se denomina impureza, obteniendo la transformación de un semiconductor intrínseco (puro) a otro extrínseco (dopado) de tipo N, por el exceso de carga negativa, de forma paralela si realizamos el mismo procedimiento pero colocamos una impureza de tipo trivalente (Al, Ga, B, In) veremos que tenemos una falta de electrones (huecos) por lo tanto estamos ante la presencia de un semiconductor extrínseco de tipo P.

Figura 5: Extrínseco SI, Extrínseco Pentavalente

[pic 10]

Figura 6: Extrínseco SI, Extrínseco Trivalente

[pic 11]

Diodos.

Ahora si juntamos una estructura, de tipo N y una de tipo P se construye una nueva estructura, llamada diodo, si quiere definirlo de forma simple, puede compararlo con una válvula unidireccional hidráulica, ósea permite el flujo eléctrico solamente en un sentido (polarización directa) y en sentido inverso se comporta como un aislante (polarización inversa).

                Figura: Polarización Directa                                Figura: Polarización Indirecta[pic 12][pic 13]

Vea la siguiente figura, fíjese que en al lado izquierdo tenemos un material de tipo P, es fácil de identificar, ya que posee cada átomo solo tres electrones en su orbital de valencia; a la derecha por otro lado encontramos un material de tipo N, el que posee cinco electrones de valencia, pero ¿Qué pasa en la zona de unión?, encontramos que el electrón extra ocupa el lugar del hueco del otro lado, esta zona se conoce como barrera de potencial,  es una región que impide que los electrones pasen de un lado a otro ya que es aislante (posee sus ocho electrones de valencia).

Figura 9:  Material NP

[pic 14]

[pic 15][pic 16][pic 17][pic 18]

Cuando se polariza directamente, los electrones que salen del lado negativo de la fuente, si tienen la suficiente fuerza (voltaje) son capaces de saltar la barrera de potencial y generar la circulación de electrones como un conductor, el valor de voltaje varía de acuerdo a la base del semiconductor siendo 0,7 volts para el Silicio y 0,3 para el Germanio, tenemos que tener en cuenta que esta zona tiene un grosor de 0,5 micras en promedio, es importante señalar que ese voltaje se consume por el diodo, si nuestra fuente es de 12 volts, al pasar por el diodo saldrán 11.3 a 11.7 volts.

Ahora en polarización inversa, los electrones se sentirán atraídos hacia el lado positivo por lo tanto la barrera se ensanchará, impidiendo el flujo de electrones, comportándose como un aislante.

Si vemos la simbología del diodo podemos apreciar que la punta indica el sentido de flujo de la corriente.

                                             Figura: Diodo Rectificados, Diagrama IEC, Diodo SMD

[pic 19]

[pic 20]

Los diodos Zener, se comportan como diodo rectificador, ósea en un sentido conduce y en el otro no, pero si en sentido inverso y se aumenta la tensión hasta alcanzar un voltaje dado por el fabricante (voltaje Zener), permite el flujo de corriente comportándose como un conductor. Esto es importante para regular el voltaje en un equipo electrónico.

...