Materiales didácticos Clasificación de materiales didácticos.
Materiales
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La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes.
Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores.
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislante. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas (dopado) o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Los principales semiconductores utilizados en electrónica son el silicio, el germanio y arseniuro de galio.
Semiconductor
Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal.
Silicio : Si
Descubridor : Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) (Sueco)
Año : 1823
Etimología : del latín silex
En estado puro tiene propiedades físicas y químicas parecidas a las del diamante.
El dióxido de silicio (sílice) [SiO2] se encuentra en la naturaleza en gran variedad de formas: cuarzo, ágata, jaspe, ónice, esqueletos de animales marinos.
Su estructura cristalina le confiere propiedades semiconductoras. En estado muy puro y con pequeñas trazas de elementos como el boro, fósforo y arsénico constituye el material básico en la construcción de los chips de los ordenadores.
Silicio: Átomo, Modelo de enlace y estructura crsitalina
Semiconductor: representación bidimensional de la estructura cristalina
Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor sería aislante porque todos los e- están formando enlaces. Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar libre un e- para moverse en la estructura cristalina.El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia positiva) en la estructura cristalina. De esta forma, dentro del semiconductor encontramos el electrón libre (e-), pero también hay un segundo tipo de portador: el hueco (h+)
Semiconductor: Acción de un campo eléctrico.
Si
SiSi
SiSi
SiSi
Si
Si
Si Si
SiSiSi
SiSi SiSi
SiSi
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Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
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La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura más portadores de carga menor resistencia
Semiconductor Intrínseco– Extrínseco.
Semiconductor intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro que contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas.
Semiconductor extrínseco, se le han añadido cantidades controladas de átomos impuros (Dopado) para favorecer la aparición de electrones (tipo n –átomosde valencia 5: As, P o Sb ) o de huecos (tipo p - átomos de valencia 3: Al, B, Ga o In).
Si
Si
Si
Si
Si
SiSi
SiSi
SiSi
SiSi
Si
Si Si
SiSiSi
SiSi SiSi
SiSi
Sb+
Semiconductor Intrínseco– Extrínseco.
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Electrones libres
Sb: antimonio
Impurezas del grupo V de la tabla periódica
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb
Si
SiSi
SiSi
SiSi
Si
Si
Si Si
SiSiSi
SiSi SiSi
SiSi
Al-+
Al: aluminio
Impurezas del grupo III de la tabla periódica
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
AlAl
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
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Al
300ºK
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Huecos libresHuecos libres Átomos de impurezas ionizadosÁtomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
SbSb
Sb
SbSb
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Impurezas grupo VImpurezas grupo V
300ºK
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Electrones libresElectrones libres Átomos de impurezas ionizadosÁtomos de impurezas ionizados
Semiconductores. La unión PN: el DIODO.
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Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
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Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
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++--
Zona de transiciónZona de transición
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’, que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
Semiconductores. La unión PN: el DIODO.
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+P N
La unión P-N polarizada inversamente
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.
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++
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+ +-
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+P
++
La unión P-N polarizada en directaNLa zona de transición se
hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.
IP NP NP N
DIODO SEMICONDUCTOR
Conclusiones: Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente. Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de
corriente eléctrica
Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.
Propiedades mecánicasLas propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores
con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de
la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos
térmicos residuales de la matrizSe ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento
del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto
en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.Figura 3. La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas
duras y blandas varía en función del volumen del material reforzantePor su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia
inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto
Propiedades térmicasLas propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.
Métodos de obtención
Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso:En estado líquido (fundición, infiltración),En estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente),En estado semisólido (compocasting) yEn estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico
El término polímero se deriva del griego “poli” Muchos y “Mero” Unidad. Los polímeros son sustancias orgánicas que se componen de numerosas unidades denominadas monómeros que forman grandes cadenas moleculares (macromoléculas). La mayor parte de los polímeros usados en ingeniería se basan en los hidrocarburos, que son moléculas formadas fundamentalmente a partir de átomos de hidrógeno y carbono dispuestos en formas estructurales.
Algunas características de los polímeros son:Menos densos que los metales o los cerámicosResistentes a las condiciones atmosféricas y otras muchas formas de corrosiónAlgunos muestran buena compatibilidad con el tejido humano y esto unido a la buena resistencia a la corrosión los hace buenos candidatos para implantesExhiben excelente resistencia a la conducción de la corriente eléctrica. Esto los hace importantes alternativas en la fabricación de dispositivos eléctricos y electrónicos.
