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PROPRIEDADES MECÂNICAS, ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS

DOS MATERIAIS

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Utilização dos metais- Metais puros:

cobre para fiaçãozinco para revestimento de açoalumínio para utensílios domésticos

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Ligas metálicas

- Um segundo metal éadicionado para melhorar as propriedades do conjunto.

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Ligas monofásicas

- O segundo metal é adicionado até que seja atingido o limite de solubilidade do metal A no metal B.

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Ligas monofásicas

- latão = cobre + zinco- bronze = cobre + estanho- ligas cobre-níquel

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Ligas metálicas polifásicas

- São ligas onde o limite de solubilidade foi ultrapassado.

- A maioria dos aços é assim classificada

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PROPRIEDADES ELÉTRICASCONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ)É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra.

σ = 1/ρ= n.q.µσ= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)ρ= resistividade elétrica (ohm.cm)n= número de portadores de carga por cm3

q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19

coulombs]µ= mobilidade dos portadores de carga

(cm2/V.s)

R = ρ . l/A

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PROPRIEDADES ELÉTRICASSEMICONDUTORES

• Tem resistividade entre metais e isolantes

10-6-10-4 Ω.cm 1010-1020 Ω.cmA resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais)A resistividade diminui com a adição de certas impurezasA resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais.

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PROPRIEDADES ELÉTRICASEXEMPLOS DE SEMICONDUTORES

• Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)

• GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)

• PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)

•95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício

• 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar

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EXEMPLOS DE SEMICONDUTORESSÃO USADOS PARA A FABRICAÇÃO DOS

SEGUINTES DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS

• Transistor• Diodos• Circuito integrado• LEDS• Detetores de infravermelho

Células solares, etc.

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CAMPOS DE APLICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS DE SEMICONDUTORES• Indústria de computadores (memórias,

microprocessadores, etc.)• Indústria aeroespacial• Telecomunicações• Equipamentos de áudio e vídeo• Relógios• Na robótica• Sistemas industriais de medidas e controles• Sistemas de segurança• Automóveis• Equipamentos médicos,...

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LIGAÇÃO QUÍMICAA- METAIS

Os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo específico (estão livres)Há atração entre os elétrons livres (de valência) e os íons positivos (núcleo mais elétrons de valência)

Os metais têm elevada condutividade elétrica devido os elétrons estarem livres para moverem-se (alta mobilidade).

No entanto, a agitação térmica reduz o livre percurso médio dos elétrons, a mobilidade dos mesmos e como conseqüência a condutividade.

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EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE

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EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE

ESTRUTURA PERFEITA A

BAIXA TEMPERATURAMOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS

ALTA TEMPERATURA

MOVIMENTO DOS ELÉTRONS

EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS

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LIGAÇÃO QUÍMICAB- SEMICONDUTORES

Todos os semicondutores têm ligação covalente, com 4 elétrons de valência. Os semicondutores compostos (grupos III-V e II-VI) têm 4 elétrons de valência em média.

RESISTIVIDADE VERSUS TEMPERATURA PARA UM SEMICONDUTORO aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.

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BANDAS DE ENERGIAOs semicondutores se caracterizam por sua estrutura

eletrônica em bandas de energia.Os elétrons de valência de dois átomos adjacentes

interagem entre si quando são aproximados um do outro, como acontece em um sólido cristalino. Isso faz com que novos níveis de energia sejam estabelecidos, originando então bandas de energia (são níveis discretos de energia, mas com diferenças apenas infinitesimais)

A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo isolado

• As bandas de energia nem sempre se sobrepõem• Assim como orbitais, as bandas de energia podem

comportar no máximo dois elétrons.

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GAP DE ENERGIA (BANDA PROÍBIDA)

•É o espaço entre as bandas de energia

É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante.

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NÍVEL DE DE ENERGIA DE FERMI

•É definido como o nível de energia abaixo do qual todos os estados de energia estão ocupados a 0K.

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CONDUTOROs elétrons não

preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e por isso a condução ocorre na banda de valência.

Num metal o nível de Fermi esta localizado na banda de valência.

Nível de Fermi

Banda de valência

incompleta

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ISOLANTESOs elétrons

preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e por isso a condução NÃOocorre na banda de valência.Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de

energia

• Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV

• Gap de um isolante é maior

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA

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SEMICONDUTORDa mesma forma que nos isolantes, os elétrons preenchem todos os estados possíveis da banda de valência.

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA

Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap deenergia

• Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV

• Gap de um isolante é maior

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SEMICONDUTORNum semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por

energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)

Quando um elétron é excitado para a banda de condução deixa um buraco ou uma vacância na banda de valência que contribui também para a corrente.

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É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros.

• Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução devido aos buracos) ou tipo "n" (condução devidos aos elétrons)

• Este tipo de condução se origina devido a presença de uma imperfeição eletrônica ou devido a presença de impurezas residuais.

CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)

CONDUÇÃO INTRÍNSECACONDUÇÃO INTRÍNSECA

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CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)

É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros.

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CONDUÇÃO EXTRÍNSECAQuando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou buracos extras.Os semicondutores extrínsecos podem ser:

Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras.

Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras

Os processos utilizados para dopagem são difusão e

implantação iônica

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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)

.Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para CRIAR buracos extras.

• Impurezas tipo "p" ou aceitadoresproporcionam buracos extraS

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Boro (valência 3)

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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)

BORO É UM DOPANTE

TIPO P PARA O SILÍCIO

PORQUE PROPORCIONA

BURACOS EXTRA

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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)

NÍVEL DE FERM I

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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N)Impurezas tipo "n"

ou doadores.proporcionam elétrons extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Fósforo (valência 5)

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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N)NÍVEL DE FERMI

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CONDUÇÃO EXTRÍNSECACONSIDERAÇÕES GERAISOs elétrons tem maior mobilidade

que os buracos.A presença de impurezas pode

alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor.

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OPERAÇÃO DO DIODO (JUNÇÃO P-N)

Dispositivos eletrônicos como transistors, circuitos integrados, chips, etc... usam a combinação de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n” .

DIODO é um dispositivo que permite a corrente fluir em um sentido e não em outro. É construído juntando um semicondutor tipo “n” e tipo “p”.

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JUNÇÃO P-N-Quando uma voltagem é aplicada

como no esquema abaixo, os dois tipos de cargas se moverão em direção à junção onde se recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.

-Como no esquema abaixo, a voltagem causará o movimento de cargas para longe da junção. A corrente não irá fluir no dispositivo.

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PROPRIEDADES MAGNÉTICAS

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PROPRIEDADES MAGNÉTICASA maioria dos elementos e materiais não exibem propriedades magnéticas.Materiais que exibem propriedades magnéticas:

Ferro, Níquel, Cobalto, Gadolíneo, algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B, ...)

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FerromagnetismoÉ a propriedade de concentrar as linhas

de força magnética, caracterizada pela permeabilidade magnética.

Ferromagnéticos- permeabilidade magnética >1(subst. Paramagnéticas) - elétrons desemparelhados

Ferro, Cobalto, Níquel e Gadolínio

Outros metais-permeabilidade magnética <1 (subst. Diamagnéticas) - elétrons emparelhados

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PERMEABILIDADE MAGNÉTICA

Permeabilidade Magnética(µ)- está relacionada com a intensidade de magnetização. A intensidade de magnetização varia em função da intensidade do campo aplicado. É característica do material

µ= tg θ B/H

É dada em Gauss/Oersted

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Domínios magnéticos

São regiões da estrutura do material onde todos os átomos cooperam magneticamente, ou seja, são zonas de magnetização espontânea (<0,05mm).

Quando um campo magnético é aplicado, os domínios magnéticos tendem a se alinhar com o campo e, então, o material exibe propriedades magnéticas.

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Ponto de Curie

É a temperatura na qual os domínios magnéticos são destruídos.

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Curva de magnetização ou de histerese

Indução residual (Br) - é a indução magnética que se conserva no corpo magnetizado, depois de anulada a intensidade do campo.É dada em GaussForça coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo que tem de ser aplicado para desmagnetizar.É dado em OerstedMaterial com elevado Hc = consome energia para alinhar os domínios magnéticos, de uma direção para outra. A quantidade de energia necessária para magnetizar é proporcional a área do ciclo de histerese.Permeabilidade Magnética (µ)- é a intensidade de magnetização. A intensidade de magnetização varia em função da intensidade do campo. ë característica do material

µ= tg θ B/H É dada em Gauss/Oersted

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Classificação das ligas magnéticas

A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese. O nome esta relacionado com as propriedades mecânicas/metalúrgicas da liga:

Ligas Magnéticas DurasLigas Magnéticas Macias

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Ligas magnéticas duras- Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br- São ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas- São utilizadas na fabricação de imãs permanentes

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Ligas magnéticas macias- Apresentam Hc de baixo valor e pequenas

perdas de histerese e baixo Br.- São ligas organizadas. Geralmente metais puros com boa qualidade estrutural.- São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização alternada (núcleos de transformadores)

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CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAG. DURAS E MACIAS

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Papel dos elementos de liga

• Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética• Diminuem o tamanho de grão

A formação de uma segunda fase, pela adição de elementos de liga (acima do limite de solubilidade), contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da segunda fase maior o Hc.

O endurecimento causado pela transformações de fase ou pela diminuição do tamanho de grão aumentam o Hc, porque evitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos.

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Variação da resistividade com a temperatura para semicondutores

•Aumentando a temperatura diminui a condutividade aumenta a resistividade para os metais

•Condutividade elétrica : σ = niq(µn + µq)••Variação com a temperatura: σ = σoexp(-Eg/2kT)

• porcentagem de transporte de cargas: