Semiconductores Y Bobinas

Regional Distrito Capital Sistema de Gestión de la Calidad

ADMINISTRACIÓN DEL ENSAMBLE Y MANTENIMIENTO DE COMPUTADORES Y REDES

Versión 1

Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información Programa de Teleinformática Bogotá, 2009

1

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 2 de 8

Control del Documento Autores

Revisión

Nombre Cargo LUIS Aprendiz FELIPE DUITAMA CASTILLO John Pérez Instructor

Dependencia Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información

2

Firma

Fecha Febrero de 2009 2009

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 3 de 8

SEMICONDUCTORES Los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro. Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes. El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura. Semiconductores intrínsecos Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente. Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: ni = n = p 3

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 4 de 8

Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción. Semiconductores extrínsecos Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Semiconductor tipo N Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero. Semiconductor tipo P Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo trivalente (típicamente del grupo IIIA de la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene 4

Sistema de Gestión de la Calidad

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Página 5 de 8

eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural. BOBINA O INDUCTOR A diferencia del condensador o capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico, la bobina o inductor por su forma (espiras de alambre enrollados) almacena energía en forma de campo magnético. La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente. Inductancia, unidades Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos mH y mH. Sus símbolos normalizados son los siguientes:

1. Bobina

2. Inductancia

3. Bobina con tomas fijas

4. Bobina con núcleo ferromagnético

5. Bobina con núcleo de ferroxcube

6. Bobina blindada

7. Bobina electroimán

8. Bobina ajustable

9. Bobina variable

5

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 6 de 8

Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques. Características 1. Permeabilidad magnética (m).- Es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es. 2. Factor de calidad (Q).- Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma. Tipos de bobinas 1. Fijas •

Con núcleo de aire.- El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

•

Con núcleo sólido.- Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. 6

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Bobina de ferrita

Bobina de ferrita de nido de abeja

Bobinas de ferrita para SMD

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 7 de 8

Bobinas con núcleo toroidal

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. Las bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. 2. Variables También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma. Identificación de las bobinas Las bobinas se pueden identificar mediante un código de colores similar al de las resistencias o mediante serigrafía directa. 7

Sistema de Gestión de la Calidad

Regional Distrito Capital Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información MÓDULO DE FORMACIÓN

REALIZAR MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO QUE GARANTICE EL FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DE LOS EQUIPOS

Fecha: Febrero de 2009 Versión: 1 Página 8 de 8

Las bobinas que se pueden identificar mediante código de colores presentan un aspecto semejante a las resistencias.

Color Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Oro Plata Ninguno

1ª Cifra y 2ª Cifra 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

Multiplicador 1 10 100 1000 0,1 0,01 -

El valor nominal de las bobinas viene marcado en microhenrios (mH).

8

Tolerancia ±3% ±5% ±10% ±20%