UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO TRABAJO DE ELECTRÓNICA (FABRICACION DE SEMI-CONDUCTORES) PROFESOR: ING. CÉSAR GIL BÁRRIOS HEBERT CUNNA OJEDA ELECTRÓNICA FALCUTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA BARRANQUILLA/ATLÁNTICO PERIODO 2020-1 21/05/2020 Contenido 1. INTRODUCCION .......................................................................................................................... 3 2. CONCEPTO BÁSICO ..................................................................................................................... 4 2.1. ¿Qué es un semiconductor? ............................................................................................... 4 2.2. Tipos de semiconductores .................................................................................................. 5 2.2.1. Silicio ................................................................................................................................. 5 2.2.2. Germanio .......................................................................................................................... 5 2.2.3. Selenio .............................................................................................................................. 5 3. FABRICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES ............................................................................... 5 4. APLICACIONES............................................................................................................................. 6 5. 4.1. Diodos ................................................................................................................................. 6 4.2 Transistor ............................................................................................................................ 6 4.3 Circuito integrado ............................................................................................................... 7 4.4 Amplificador ....................................................................................................................... 7 4.5 Fuentes de alimentación: Generadores de corriente continua ........................................ 7 4.6 Oscilador ............................................................................................................................. 8 4.7 C.P.U. ................................................................................................................................... 8 Bibliografía .................................................................................................................................. 9 1. INTRODUCCION La gran mayoría de los dispositivos de estado sólido que actualmente hay en el mercado, se fabrican con un tipo de materiales conocido como semiconductores. De ahí que vamos a empezar nuestro estudio dejando claro y conciso básicamente que es un semiconductor, para así entrar en materia. [1] Luego pasaremos al siguiente tema importante sobre la fabricación de este tipo de materiales que a lo largo de su historia han sido tan útiles, eficientes y eficaces a la hora de utilizarlos en la industria. 2. CONCEPTO BÁSICO 2.1. ¿Qué es un semiconductor? Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se le somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo. Imagen 1.Comportamiento de los átomos en un semiconductor. Fuente: Etitudela, electrónica. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón, pero con signo positivo. [2] 2.2. Tipos de semiconductores 2.2.1. Silicio El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica. 2.2.2. Germanio Germanio, de símbolo Ge, es un elemento semimetálico cristalino, duro, brillante, de color blanco grisáceo. Su número atómico es 32, y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla periódica. 2.2.3. Selenio Químicamente se asemeja al azufre y está relacionado con el teluro. Al igual que el azufre, se presenta en varias formas alotrópicas diferentes: como polvo rojo-ladrillo; como masa amorfa vidriosa, de color castaño oscuro, llamada selenio vitroso; como cristales monoclínicos rojos con una densidad relativa de 4,5, y como cristales de color gris metálico llamados selenio gris. Forma ácida selenioso (H2SeO 3) y ácido selénico (H2SeO4), cuyas sales respectivas se denominan selenitos y seleniatos. El selenio gris tiene un punto de fusión de 217 °C, un punto de ebullición de 685 °C y una densidad relativa de 4,81. La masa atómica del selenio es 78,96. 3. FABRICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES Un semiconductor es un material que bajo ciertas condiciones resulta ser aislante, pero bajo otras condiciones resulta ser conductor, de ahí su nombre. Por lo general, los semiconductores son aislantes, pero conforme aumenta su temperatura se vuelven conductores. Un semiconductor se fabrica mediante un proceso que se conoce como dopado. El dopado consiste en introducir impurezas dentro de cristales de un material base durante su formación. Los materiales más comunes utilizados como bases son el Germanio (Ge) y el Silicio (Si). En las plantas productoras de semiconductores, se inicia un crecimiento de cristales de Germanio, y mientras éstos crecen son expuestos a dosis controladas de Arsénico (As). El Arsénico se introduce en los cristales y les provoca un efecto de carga eléctrica: como el átomo de Arsénico posee cinco electrones y el de germanio solo cuatro, existe una carga resultante negativa en el cristal. El material resultante se conoce como Germanio N (N=negativo). En el caso del Silicio, se puede utilizar Fósforo (P), para producir un efecto similar que da como resultado el Silicio N. Si en vez de crear una carga negativa se quiere crear una carga positiva, el material se expone a Galio (Ga) en el caso del Germanio, o a Boro (B) en el caso del Silicio. Esto produce Germanio P y Silicio P. La diferencia fundamental en estos materiales dopados es que poseen una carga eléctrica positiva o negativa. Como vimos en el capítulo de electricidad, la materia en su estado normal es eléctricamente neutra (posee carga cero). Esta carga que se les da nos permite lograr efectos eléctricos bastante interesante y útiles. [3] 4. APLICACIONES 4.1. Diodos Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Los primeros dispositivos de este tipo fueron los diodos de tubo de vacío, que consistían en un receptáculo de vidrio o de acero al vacío que contenía dos electrodos: un cátodo y un ánodo. Ya que los electrones pueden fluir en un solo sentido, desde el cátodo hacia el ánodo, el diodo de tubo de vacío se podía utilizar en la rectificación. Los diodos más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los diodos fabricados con material semiconductor. El más sencillo, el diodo con punto de contacto de germanio, se creó en los primeros días de la radio, cuando la señal radiofónica se detectaba mediante un cristal de germanio y un cable fino terminado en punta y apoyado sobre él. En los diodos de germanio (o de silicio) modernos, el cable y una minúscula placa de cristal van montados dentro de un pequeño tubo de vidrio y conectados a dos cables que se sueldan a los extremos del tubo. 4.2 Transistor En electrónica, denominación común para un grupo de componentes electrónicos utilizados como amplificadores u osciladores en sistemas de comunicaciones, control y computación (véase Electrónica). Hasta la aparición del transistor en 1948, todos los desarrollos en el campo de la electrónica dependieron del uso de tubos de vacío termoiónicos, amplificadores magnéticos, maquinaria rotativa especializada y condensadores especiales, como los amplificadores. El transistor, que es capaz de realizar muchas de las funciones del tubo de vacío en los circuitos electrónicos, es un dispositivo de estado sólido consistente en una pequeña pieza de material semiconductor, generalmente germanio o silicio, en el que se practican tres o más conexiones eléctricas. Los componentes básicos del transistor son comparables a los de un tubo de vacío triodo e incluyen el emisor, que corresponde al cátodo caliente de un triodo como fuente de electrones. El transistor fue desarrollado por los físicos estadounidenses Walter Houser Brattain, John Bardeen y William Bradford Shockley de los Bell Laboratories. Este logro les hizo merecedores del Premio Nobel de Física en 1956. Shockley pasa por ser el impulsor y director del programa de investigación de materiales semiconductores que llevó al descubrimiento de este grupo de dispositivos. Sus asociados, Brattain y Bardeen inventaron un importante tipo de transistor. 4.3 Circuito integrado Dispositivo electrónico miniaturizado consistente en un sistema interconectado de elementos activos (diodos, transistores) y pasivos (resistencias, condensadores), intimamente unido a un material semiconductor, y capaz de realizar las mismas funciones que un circuito electrónico completo. 4.4 Amplificador Dispositivo para aumentar la amplitud, o potencia, de una señal eléctrica. Se utiliza para ampliar la señal eléctrica débil captada por la antena de un receptor de radio, la emisión débil de una célula fotoeléctrica, la corriente atenuada de un circuito telefónico de larga distancia, la señal eléctrica que representa al sonido en un sistema de megafonía y para muchas otras aplicaciones. Un dispositivo de amplificación de uso muy común es el transistor. Otras formas de dispositivos amplificadores son los distintos tipos de tubos de vacío termoiónicos como el triodo, el pentodo, el klistrón y el magnetrón. 4.5 Fuentes de alimentación: Generadores de corriente continua Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. 4.6 Oscilador Aparato destinado a producir oscilaciones eléctricas, es decir, corrientes alternas periódicas. 4.7 C.P.U. Unidad central de proceso o UCP (conocida por sus siglas en inglés, CPU), circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en las computadoras. Generalmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético-lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole); por una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones. Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. [4] 5. Bibliografía [1] «Electro_gen: Introduccion a los semiconductores,» [En línea]. Available: https://ocw.ehu.eus/file.php/110/electro_gen/teoria/tema1.pdf. [2] «Etitudela, electrónica,» [En línea]. Available: http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf. [3] «Celeridad, semiconductores: que son y como se fabrican,» [En línea]. Available: http://celeridad.net/ti2dll/semiconductores-que-son-y-como-se-fabrican/. [4] «Electrónica básica: Aplicaciones de los semiconductores,» Jueves Diciembre 2014. [En línea]. Available: http://elctromymagne.blogspot.com/2014/12/aplicaciones-consemiconductores.html.
