16 Sep
Introducción a la Electrónica y los Materiales
Nanotecnología y Electrónica
1. ¿Cuál es el objetivo de la industria actual respecto al desarrollo de dispositivos electrónicos?
El objetivo consiste en desarrollar la nanotecnología requerida para fabricar dispositivos electrónicos en nano hilos con un diámetro de aproximadamente 100 nm.
2. ¿Qué será posible fabricar a medida que se produzcan nuevos adelantos en la nanotecnología?
Será posible fabricar optoelectrónica, sensores, láseres, LEDs, y puede que incluso nanoelectrónica que resulte imposible de ver a simple vista.
Materiales Semiconductores
3. ¿Cuáles son los efectos de las impurezas y la temperatura en la conductividad eléctrica de los materiales semiconductores?
4. ¿Cómo están unidos los átomos en las estructuras cristalinas FCC, BCC y HCP?
Están unidos por sus electrones de valencia externos mediante un enlace metálico.
5. ¿Cómo se mueven los electrones de valencia en los enlaces metálicos en los sólidos?
Estos se mueven libremente.
6. ¿Qué pasa con los núcleos iónicos positivos a temperatura ambiente?
A temperatura ambiente, los núcleos iónicos positivos poseen energía cinética y vibran en torno a sus posiciones en la red.
7. ¿Qué pasa en ausencia de un potencial eléctrico?
El movimiento de los electrones de valencia es aleatorio y restringido, por lo que no se produce un flujo neto de electrones en ninguna dirección y, en consecuencia, ningún flujo de corriente.
8. ¿Qué dice la Ley de Ohm? Escribe la fórmula.
Dice que la corriente eléctrica (I) es proporcional al voltaje aplicado (V) e inversamente proporcional a la resistencia (R) del hilo: I = V/R
9. ¿A qué es igual la resistividad eléctrica?
Es directamente proporcional a su longitud «l» e inversamente proporcional al área de su sección transversal.
10. Defina resistividad eléctrica.
Es una constante de los materiales a una determinada temperatura: R = ρ(L/A) o ρ = R(A/L)
11. Diga cuáles de estos materiales tienen mayor conductividad eléctrica.
Plata, cobre y oro.
12. Analice el problema 13-1 de la página 448.
13. Escriba la forma macroscópica de la Ley de Ohm.
J = E/ρ o J = σE
Donde:
- J: densidad de corriente (A/m²)
- ρ: resistividad eléctrica (Ω.m)
- E: campo eléctrico (V/m)
- σ: conductividad eléctrica, (Ω.m)⁻¹
14. Establezca la diferencia entre la fórmula macroscópica y microscópica de la Ley de Ohm.
Se diferencian en que la forma microscópica es independiente de la forma del conductor eléctrico.
15. ¿Cómo sería la velocidad de los electrones si se aplica un campo eléctrico?
Los electrones se aceleran con una velocidad definida en dirección opuesta al campo aplicado. Los electrones colisionan periódicamente con los núcleos iónicos de la red y pierden su energía cinética.
16. ¿A qué es igual la velocidad de deriva promedio de los electrones?
17. ¿Escriba la fórmula de la densidad de corriente?
18. ¿Cómo varía la resistividad eléctrica a medida que aumenta la temperatura?
Conforme aumenta la temperatura, los núcleos iónicos vibran cada vez más, y un elevado número de ondas elásticas excitadas térmicamente dispersan los electrones de conducción y reducen los recorridos libres y los tiempos de relajación entre colisiones. Así, a medida que aumenta la temperatura, las resistividades eléctricas de los metales puros aumentan.
19. Hable brevemente sobre las bandas de valencia.
Al estar junto a los átomos y en contacto uno con otro, los electrones de valencia están deslocalizados, interaccionan y se interpenetran, ocasionando que los niveles de energía se ensanchen en regiones más amplias.
20. Hable brevemente de las bandas de energía para aislantes.
En los aislantes, los electrones se encuentran fuertemente sujetos a los átomos mediante enlaces iónicos o covalentes y no están libres para conducir electricidad a menos que se aumente fuertemente la energía.
21. ¿Qué tipo de enlace conforma la estructura cúbica del diamante?
La estructura cúbica del diamante está compuesta por enlaces covalentes tetraédricos sp³.
22. ¿Qué son los semiconductores?
Son aquellos materiales cuyas conductividades eléctricas están comprendidas entre las de los metales altamente conductores y las de los aislantes escasamente conductores.
23. ¿Diferencia entre los semiconductores intrínsecos y extrínsecos?
24. En un proceso de conducción eléctrica en un semiconductor como el silicio y el germanio puro, ¿cuáles son los portadores de carga?
Ambos, electrones y huecos, son portadores de carga y se mueven en un campo eléctrico aplicado.
25. ¿Cuál es el efecto de la temperatura en la semiconductividad intrínseca?
26. ¿A qué es igual la densidad de corriente J durante la conducción eléctrica en semiconductores intrínsecos?
Es igual a la suma de la conducción debida a electrones y huecos:
J = nqVn + pqVp
27. ¿Qué son las movilidades del electrón y del hueco?
Son las cantidades Vn/E y Vp/E, puesto que miden cuán rápido se derivan los electrones y los huecos en un semiconductor.
28. ¿Cómo se expresa la conductividad eléctrica de un semiconductor?
29. ¿A qué se debe que la movilidad del electrón sea mayor que la movilidad del hueco?
30. ¿Qué son los semiconductores extrínsecos?
Son disoluciones sólidas sustitucionales muy diluidas en las que los átomos de las impurezas disueltos poseen características de valencia diferentes de las de la red atómica que las disuelve.
31. ¿Cuáles materiales decrecen sus conductividades con el aumento de la temperatura y cuáles aumentan sus conductividades con el aumento de la misma?
Los metales decrecen su conductividad al aumentar la temperatura, en cambio, los semiconductores aumentan su conductividad al aumentar su temperatura.
32. Analice los problemas de la pág. 457 y 458 sobre cálculo de resistividad y conductividad.
Analizar problema 457 y 458.
33. ¿Qué es el dopado?
Es el proceso de añadir pequeñas cantidades de átomos de impurezas sustitucionales al silicio para producir materiales semiconductores extrínsecos de silicio. Los átomos de impureza se llaman dopantes.
34. ¿Cómo se obtiene la concentración de huecos en un semiconductor tipo n?
35. Analice el problema ejemplo 13-9.
Analizar ejemplo 13-9.
36. En un material de tipo p, ¿cuáles son mayoritarios entre los huecos y los electrones?
Los huecos.
37. ¿De qué dependen los dispositivos semiconductores más comunes?
Dependen de las propiedades de la interfaz entre materiales de tipo p y tipo n.
38. ¿Cómo son los semiconductores np antes de la unión?
Antes de la unión, ambos tipos de semiconductores son eléctricamente neutros.
39. ¿Cuál es uno de los usos más importantes de los diodos de unión pn?
Uno de los usos más importantes es convertir corriente alterna en corriente continua; este proceso se conoce como rectificación.
40. ¿Cómo se fabrican los transistores microelectrónicos bipolares planares?
Se fabrican sobre la superficie de una oblea monocristalina de silicio mediante una serie de operaciones que requiere acceder a solo una cara de la oblea de silicio. En su fabricación se forma primero una isla relativamente grande de silicio tipo n sobre una base o sustrato de silicio tipo p y, posteriormente, una isla menor de tipo p en la isla mayor de tipo n. De esta manera, las tres partes fundamentales de un transistor bipolar npn (el emisor, la base y el colector) se forman en una configuración plana.
41. ¿Cuáles son los tipos de transistores que existen?
Están los bipolares (tipos npn y pnp) y los transistores de efecto de campo.
42. Hable brevemente cómo se fabrica un circuito integrado en microelectrónica.
Se traza primero a gran escala, generalmente con ayuda del ordenador, de forma que se pueda realizar con el diseño que ahorre el máximo espacio posible.
Materiales Magnéticos
43. ¿En cuáles aplicaciones industriales son necesarios los materiales magnéticos?
Son particularmente necesarios en el área de la ingeniería eléctrica.
44. Tipos principales de materiales magnéticos y dónde se utiliza cada uno.
Existen dos tipos de materiales magnéticos: blandos y duros.
- Blandos: se utilizan en aplicaciones en las que el material debe magnetizarse y desmagnetizarse con facilidad, como en núcleos de transformadores para la distribución de energía eléctrica, en pequeños transformadores electrónicos y en materiales para estatores y rotores de motores y generadores.
- Duros: se utilizan en aplicaciones que requieren imanes permanentes que no se desmagnetizan fácilmente, como los imanes permanentes de altavoces, receptores telefónicos, motores síncronos con imanes permanentes y motores de arranque para automóviles.
45. ¿Cuáles son los únicos materiales que, una vez magnetizados a temperatura ambiente, pueden generar un fuerte campo magnético a su alrededor?
El hierro, el cobalto y el níquel.
46. ¿Cómo es el magnetismo por naturaleza?
El magnetismo por naturaleza se refiere a que una barra imantada posee dos polos magnéticos.
47. ¿Cómo se generan también los campos magnéticos?
También se generan gracias a conductores que transportan corriente.
48. ¿Qué es la permeabilidad magnética?
Cuando se coloca un material ferromagnético dentro de un campo magnético aplicado, aumenta la intensidad del campo magnético. Este incremento en la magnetización se mide mediante una cantidad denominada permeabilidad magnética (μ), definida como el cociente de la inducción magnética (B) respecto al campo aplicado (H), es decir, μ = B/H.
49. ¿Cómo se originan las fuerzas y campos magnéticos?
Se originan por el movimiento de la carga eléctrica física del electrón. Cuando los electrones se mueven en un hilo conductor, se genera un campo magnético alrededor del hilo.
50. Defina paramagnetismo, diamagnetismo y ferromagnetismo.
- Los materiales que presentan una pequeña susceptibilidad magnética positiva por la presencia de un campo magnético se denominan paramagnéticos.
- Un campo magnético externo que actúa sobre los átomos de un material desequilibra ligeramente sus electrones en los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al campo aplicado. Esta acción provoca un efecto diamagnético.
- El ferromagnetismo es la propiedad de ciertos materiales de ser altamente permeables al flujo magnético y de retener una parte de este flujo cuando cesa el campo externo.
51. ¿A qué se deben las propiedades ferromagnéticas de los elementos de transición Fe, Co y Ni?
Se deben a la forma en que los electrones desapareados se alinean en su red cristalina. Las capas internas de los átomos aislados se llenan con pares de electrones con espines opuestos y, de esta manera, no queda ningún momento dipolar magnético causado por ellos.
52. ¿Cuáles son los materiales magnéticos blandos más utilizados?
Son las aleaciones de hierro con un 3 o 4% de silicio; antes de 1900 se utilizaban aceros de bajo contenido de carbono.
53. ¿A qué se debe la pérdida de energía por histéresis en los materiales magnéticos?
A la energía necesaria para mover las paredes de dominio durante la magnetización.
54. ¿Cuáles son las aleaciones de Ni-Fe que presentan mayor permeabilidad?
Son las aleaciones con un 78% de níquel y un 22% de hierro, conocidas como Permalloy.
55. ¿Cuáles son las principales propiedades que presentan los materiales magnéticos duros?
56. ¿Cuáles son las principales aleaciones que se conocen de tipo magnético duro?
Aluminio, níquel y cobalto (Alnico).
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