Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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uniones pn y diodo


En el campo de la electrónica y las comunicaciones, los semiconductores juegan un papel vital. Entre los diversos dispositivos semiconductores, la unión pn se destaca como un bloque de construcción básico, que es crucial para una amplia gama de aplicaciones. Comprender la unión pn es esencial para cualquier persona que se adentre en la electrónica, ya que es el componente clave en muchos dispositivos semiconductores como diodos, transistores, celdas solares y otros.

¿Qué es un semiconductor?

Antes de sumergirnos en uniones PN y diodos, aclaremos qué es un semiconductor. Los semiconductores son materiales cuyo nivel de conductividad se encuentra entre conductores, como metales, y aislantes, como vidrio. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son los semiconductores más comúnmente utilizados. Las propiedades únicas de los semiconductores los hacen ideales para controlar corrientes eléctricas.

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

Semiconductores intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son semiconductores puros que no contienen átomos de impureza significativos. Tienen igual cantidad de electrones y huecos (electrones faltantes). En el cero absoluto, los semiconductores intrínsecos se comportan como aislantes perfectos.

Semiconductores extrínsecos

Agregar impurezas a un semiconductor crea un semiconductor extrínseco. Este proceso se llama dopaje. Los semiconductores dopados son principalmente de dos tipos: tipo p y tipo n.

Semiconductor tipo n

En los semiconductores tipo n, la impureza añadida tiene más electrones que el semiconductor. Por ejemplo, agregar fósforo (que tiene cinco electrones en su capa externa) al silicio (que tiene cuatro electrones en su capa externa) crea un semiconductor tipo n. Los electrones adicionales del átomo de fósforo proporcionan portadores de carga.

Si + P → Semiconductor tipo n

Semiconductor tipo p

En los semiconductores tipo p, la impureza añadida tiene menos electrones que el semiconductor. Por ejemplo, agregar boro (que tiene tres electrones en su capa externa) al silicio crea un semiconductor tipo p. Esto crea "huecos" o portadores de carga positivos.

Si + B → Semiconductor tipo p

Formación de la unión PN

Cuando los semiconductores tipo p y tipo n se juntan, forman una unión pn. Esta unión es el corazón de muchos dispositivos semiconductores.

Tipo NTipo PJunción

Zona de agotamiento

En la unión PN, los electrones de la región tipo n se difunden hacia la región tipo p y se recombinan con los huecos. Este proceso deja atrás iones cargados y crea una región desprovista de portadores de carga, conocida como la región de agotamiento.

Capacidad de barrera

La región de agotamiento forma una barrera de potencial que impide el flujo posterior de portadores de carga. Esto se llama el potencial de barrera. Para el silicio, el potencial de barrera típico es de aproximadamente 0.7 voltios, mientras que para el germanio, es de aproximadamente 0.3 voltios.

Diodo: Uso de unión pn

Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente fluya principalmente en una dirección. Se construye a partir de una sola unión pn y tiene dos terminales: ánodo y cátodo. La característica fundamental de un diodo es que permite el paso de corriente solo cuando el ánodo está a un potencial más alto que el cátodo. Esto se conoce como polarización directa.

Polarización directa

En polarización directa, se aplica un voltaje positivo al material tipo p y un voltaje negativo al material tipo n, provocando el flujo de corriente a través de la unión. En este caso, el potencial de barrera disminuye, permitiendo que electrones y huecos crucen la unión.

Tipo NTipo Ppolarización directa+V0V

Polarización inversa

En polarización inversa, se aplica un voltaje negativo al material tipo p y un voltaje positivo al material tipo n. La región de agotamiento se amplía y el potencial de barrera aumenta, bloqueando efectivamente el flujo de corriente.

Tipo NTipo PPolarización inversa0V-v

Características del diodo

Un diodo tiene una curva característica conocida como la característica I-V (corriente-voltaje). En la región de polarización directa, el diodo conduce corriente exponencialmente después de cruzar el voltaje umbral. En la región de polarización inversa, solo fluye una pequeña corriente de fuga hasta la ruptura.

V_d > 0 → I ≈ I_s * (e^(V_d/nV_t) - 1)

Aquí, I_s es la corriente de saturación, V_d es el voltaje del diodo, n es el factor de idealidad y V_t es el voltaje térmico.

Aplicaciones del diodo

Los diodos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones:

  • Rectificadores: Utilizados para convertir CA a CC.
  • Clippers y clampers: Utilizados para dar forma a señales de forma de onda.
  • Multiplicador de voltaje: Utilizado para generar voltaje más alto.
  • Celdas solares: Utilizan el efecto fotovoltaico combinado con propiedades de diodo.

Diodo Zener: Un tipo especial de diodo

El diodo Zener está diseñado para hacer que la corriente fluya en la dirección inversa cuando el voltaje supera un cierto valor conocido como el voltaje de ruptura Zener. Se usa comúnmente como regulador de voltaje.

Ruptura Zener

En la condición de polarización inversa, a un determinado voltaje inverso, el diodo Zener permite una corriente significativa sin ningún daño. Este fenómeno se conoce como ruptura Zener.

I_z = (V_z-V_l)/R_z

Aquí, I_z es la corriente que fluye a través del diodo Zener, V_z es el voltaje Zener, V_l es el voltaje de carga y R_z es la resistencia limitante.

Diodo emisor de luz (LED)

Los LEDs son diodos especiales que emiten luz cuando la corriente fluye a través de ellos. La longitud de onda (y por lo tanto el color) de la luz depende del material semiconductor utilizado.

Funcionamiento y aplicación de los LEDs

Cuando el LED está inclinado hacia adelante, los electrones se recombinan con los huecos, liberando energía en forma de luz. Los LEDs son eficientes energéticamente y se utilizan en sistemas de visualización, indicadores e iluminación.

Conclusión

Comprender las uniones pn y los diodos es muy importante en el estudio de la electrónica. Los diodos realizan funciones clave en los circuitos, desde controlar la dirección del flujo de corriente hasta regular el voltaje. A medida que la tecnología avanza, las aplicaciones de los semiconductores y los diodos están aumentando, haciéndolos aún más importantes en los dispositivos electrónicos de hoy en día.

En esta discusión, cubrimos los fundamentos de las uniones pn, exploramos el funcionamiento y las aplicaciones de los diodos, y tocamos algunos tipos especiales como diodos Zener y LEDs. Cada uno de estos componentes juega un papel vital en el funcionamiento de los circuitos electrónicos, allanando el camino para el avance de la tecnología.


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