Materiales utilizados en diseños electrónicos

Transcripción

1 Materiales utilizados en diseños electrónicos

2 Unión Metálica Se producen cuando se unen átomos que tienen electronegatividad baja y cercana (metales), ninguno de los átomos atrae con gran fuerza los electrones de la unión. Los iones (cationes) forman una red metálica y se disponen formando planos y los electrones de valencia se mueven libremente entre ellos. A pesar de estar formados por cargas del mismo signo, los planos no se repelen ya que la nube de electrones hace de pantalla, aunque pueden desplazarse unos sobre otros con facilidad. Este tipo de unión se denomina unión metálica y tiene como ejemplo principal los metales en su estado elemental.

3 Propiedades de los Metales Conducen la corriente eléctrica y el calor (libertad de los electrones para moverse). Tienen punto de fusión y densidad elevadas, el conjunto de electrones unen fuertemente a los iones positivos. Son dúctiles y maleables: los iones que tienen igual carga, se pueden deslizar fácilmente unos sobre otros en varias direcciones. Poseen brillo metálico (asociado a la movilidad de los electrones).

4 Comparativo de Propiedades Enlace covalente Propiedad Sustancia molecular Sólido covalente Enlace iónico Enlace metálico Alto punto de fusión y ebullición? No Sí Sí Sí Conduce electricidad? No No No Sí Conduce la electricidad en estado líquido (fundido)? Conduce la electricidad al disolverse en agua? No No Sí Sí No No Sí -- Se disuelve en agua? Algunas No Sí -- Maleabilidad y ductilidad? No No No Sí Duro? No Sí Sí Si - No

5 MATERIALES DISEÑO ELECTRONICO, MAGNETICO U OPTICO: - Propiedades electrónicas - Propiedades térmicas DISEÑO ESTRUCTURAL: - Propiedades mecánicas - Propiedades térmicas

6 Propiedades Térmicas importantes Nos interesan aquellas relacionadas con las vibraciones atómicas, dependientes de la temperatura. Conductividad Térmica: es una medida de la intensidad con la que el calor se transmite a través de un material. Los metales y las aleaciones metálicas son los mejores conductores térmicos. Dilatación Térmica: es el aumento del tamaño del material producido por el aumento de la T 0, al ganar los átomos energía térmica aumentan las distancias promedios entre los átomos que forman el material; Ej.: el Pb se dilata mucho y el W, diamante (C ) o cuarzo (SiO 2 ) no.

7 Propiedades Eléctricas importantes Se refieren al comportamiento de los materiales cuando están sometidos a un campo eléctrico. La propiedad eléctrica mas importante es la conductividad eléctrica La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material de dejar pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles (unión metálica) y esto permite su movimiento. La conductividad depende de otros factores físicos del propio material y varía con la temperatura. La conductividad es la inversa de la resistividad o resistencia y su unida de medida es S/m (siemens/metro) o Ω-1 m-1.

8 Clasificación de los materiales según la conductividad eléctrica Conductores: son aquellos en los cuales los e - se desplazan libremente a través de su estructura; los metales son muy buenos conductores; Ej.: Ag y Cu. Semiconductores: son aquellos en los cuales los e - están localizados y pueden moverse con dificultad cuando se aplica un campo eléctrico; la movilidad también aumenta si aumenta la T O, son materiales muy importantes en microelectrónica (transitores y circuitos integrados) Ej.: Si y Ge. Aislantes o No Conductores: son sustancias en las cuales no hay movimiento de e - ni iones cuando se aplica un campo eléctrico; Ej.: plásticos

9 Conductores Conductividad Eléctrica (S m -1 ) Temperatura( C) Plata 6, Cobre 5, Aluminio 3, Semiconductores Conductividad Eléctrica (S m -1 ) Temperatura( C) Carbono 2, Germanio 2, Silicio 1, Aislantes Conductividad Eléctrica (S m -1 ) Temperatura( C) Vidrio a10-14 Mica a10-15 Teflón < Cuarzo 1,

10 Conductores En los elementos llamados conductores, algunos de sus electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor. A este movimiento de electrones es a lo que se llama corriente eléctrica. Los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material por lo que tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro por eso se consideran conductores. Los mejores conductores son los elementos metálicos, especialmente la plata (Ag) (es el más conductor), el cobre (Cu) y el aluminio (Al).

11 COBRE - Símbolo: Cu. Conductividad: 5, S/m El cobre es, después de la plata, el metal que tiene mayor conductividad eléctrica; reducen notablemente dicha conductividad. También después de la plata el cobre es el metal que mejor conduce el calor. No es atacado por el aire seco; en presencia del aire húmedo, se forma una platina (Carbonato de Cobre), que es una capa estanca, que protege el cobre de posteriores ataques. Aplicaciones: El cobre Electrolítico se emplea en electrotecnia especialmente como material conductor para líneas eléctricas y colectores y como material de contacto en interruptores de alta tensión. Se utiliza también, por su elevada conductividad térmica, por ejemplo en equipos de soldadura, tubos de refrigeración y superficies de refrigeración de semiconductores.

12 ALUMINIO: Símbolo: Al. Conductividad: 3, S/m El aluminio presenta buena conductivita eléctrica y es también buen conductor del calor. Es fácil de conformar por laminado y estirado. El aluminio se puede alear fácilmente con otros metales. Sometido a la acción del aire, se cubre de una capa de óxido, que debido a su estanqueidad protege de oxidación ulterior al metal situado bajo la misma, por lo que el aluminio es resistente a la corrosión. Aplicaciones: El aluminio puro se emplea, debido a su resistencia a la corrosión y a su baja densidad, para revestimientos de cables. Su buena deformabilidad lo hace apropiado para láminas de condensadores, y su buena conductividad para líneas aéreas.

13 Aislantes o No Conductores Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector). La mayoría de los no metales son apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes debido a a la ausencia de electrones libres. En los materiales no conductores de la electricidad, o aislantes, los electrones están sólidamente unidos al núcleo y es difícil arrancarlos de átomo. Por este motivo, comparándolos con los conductores, se requiere una diferencia de potencial relativamente alta para separar algunos electrones del átomo, y la corriente que se obtiene es prácticamente nula. Algunos ejemplos de aislante son la ebonita, el plástico la mica, la baquelita, el azufre y el aire; Buenos aislantes ó no conductores, son: los aceites, el vidrio, la seda, el papel, algodón, etc.

14 Ej.: fabricación de un cable Las partes generales de un cable eléctrico son: Conductor: Elemento que conduce la corriente eléctrica y puede ser de diversos materiales metálicos (Cu, Al). Puede estar formado por uno o varios hilos. Aislamiento: Recubrimiento que envuelve al conductor, para evitar la circulación de corriente eléctrica fuera del mismo. Capa de relleno: Material aislante que envuelve a los conductores para mantener la sección circular del conjunto. Cubierta: Está hecha de materiales que protejan mecánicamente al cable. Tiene como función proteger el aislamiento de los conductores de la acción de la temperatura, sol, lluvia, etc.

15 Teoría de Bandas, Enlace Metálico La teoría del orbital molecular para enlaces metálicos considera que los orbitales atómicos de valencia completa o incompleta y los orbitales vacíos inmediatamente superiores (energías cercanas) forman orbitales moleculares deslocalizados que se extienden por todo el cristal. Consecuencia: los e - tienen libertad para moverse y desplazarse. Los e - de los últimos orbitales incompletamente ocupados forman lo que se llama banda de valencia. Los orbítales inmediatamente superiores y de energía cercana a los orbitales de valencia forman la banda conductora o de conducción Los e - de los orbitales llenos internos constituyen la banda no conductora. Los e - de la banda de valencia pueden pasar a la banda conductora si no hay un gran salto o diferencia de energía, en aquellos materiales en lo que lo pueden hacer se consideran buenos contutores eléctricos como los metales.

16 CONDUCTORES SEMICONDUCTORES AISLANTES

17 Justificación química y estructural de la Conductividad

18 Materiales Conductores Son todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica. Son los metales que, en su ultima orbita o capa de valencia poseen entre 1 y 3 e - Entre los mejores conductores por orden de importancia, se encuentran el Cu, Al, Ag, y Au Cu:[Ar] 3d 10 4s 1 Al:[Ne] 3s 2 3p 1 Ag:[Kr] 4d 10 5s 1 Au:[Xe] 4f 14 5d 10 6s 1

19 Materiales Aislantes Son no conductores de la corriente eléctrica, como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc. Ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente. Esos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos.

20 Materiales Semiconductores Son los elementos que, en su ultima orbita o capa de valencia poseen entre 2,3,4 o 5 e -. Los mas usados son Ge y Si que poseen en su última orbita 4 e - y NO aceptan ni ceden e - Si:[Ne] 3s 2 3p 2 Ge:[Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 Los "semiconductores" como el Si, Ge y Sb, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes. Bajo determinadas condiciones estos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

21 Incremento de la conductividad eléctrica de un semiconductor Aumentando la T 0 Introduciendo impurezas Incrementando la iluminación

22 Pureza de los materiales semiconductores Semiconductores intrínsecos: son aquellos que se encuentran en estado puro, es decir NO poseen impurezas. Su conductividad aumenta por aumento de T 0. Semiconductores extrínsecos: son aquellos que poseen en su estructura molecular alteraciones por el agregado de otros elementos semiconductores; por ejemplo a un semiconductor de Si o Ge se lo dopa con el agregado de Ga o In.

23 Conversión del Semiconductor de Si en conductor tipo N (negativo) Se produce cuando el Si se dopa con algún elemento que posea 5 e - en su ultima orbita como Sb, entonces comparte 4 e - con el Si y el restante queda libre para circular, se denomina Tipo N (negativo o donante) por ser negativo debido al exceso de e - libres dentro de la estructura.

24 Conversión del Semiconductor de Si en conductor tipo P (positivo) Se produce cuando el Si se dopa con algún elemento que posea 3 e - en su ultima orbita como Ga, entonces comparte 3 e - con el Si y queda un hueco en al estructura, se denomina Tipo P (positivo o aceptante) por el exceso de cargas positivas que provoca la falta de e -.

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26 Elementos de la tabla periódica relacionados con el comportamiento eléctrico Grupo III: configuración ns 2 np 1 ; B, Al, Ga, In y Tl; el único No metal es B, el mas usado es Al. Grupo IV: configuración ns 2 np 2 ; C, Si, Ge, Sn y Pb; el C es no metal y es aislante (diamante), Si y Ge semiconductores. Grupo V: configuración ns 2 np 3 ; N, P, As, Sb y Bi; el Bi se utiliza en su forma metálica como una aleación (mezcla de Wood) usado para interrumpir circuitos eléctricos. Grupo VI: configuración ns 2 np 4 ; O, S, Se, Te y Po. Elementos de trancisión: son metales típicos con todas sus características y propiedades. Mo y W son muy utilizados, ppalmenete. W (Tungsteno) debido a su dureza, alto PF e incandescencia. Muy utilizados también como excelentes conductores Ag, Cu y Au.

27 Información de Soporte (S)

28 S1 Conductividad y Temperatura Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la Temperatura del mismo. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable. En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como hornos, tostadoras y calefacciones eléctricas en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados.

29 S2 Efectos Concretos de la Temperatura sobre la conductividad En los Conductores al aumentar la temperatura la conductividad metálica disminuye. En los Semiconductores al aumentar la temperatura, la conductividad crece.

30 S3 Efecto Opuesto - Termoeléctrico El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos..

31 S4 Superconductores Metal que tiene la propiedad de permitir el paso de la electricidad sin oponer resistencia cuando está a baja temperatura. Los superconductores tienen una temperatura característica, por debajo de la cual actúan como superconductores. Esta temperatura depende de la naturaleza y estructura del material.

32 S5 Superconductividad Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía nulas en determinadas condiciones. La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

33 Tipos de Superconductores S6 Elementos Puros como Tecnecio (Tc) y Vanadio (V). Aleaciones, como por ejemplo ElNbTi (Niobio-Titanio) ElAuIn (Oro-Indio) ElURhGe (Uranio-Rodhio y Germanio). Superconductores orgánicos, estructuras de carbono (concretamente fulerenos y nanotubos). Cerámicas entre las que tenemos El grupo YBCO, conocido por sus siglas inglesas para óxidos de Itrio Bario y Cobre. Eldiboruro de magnesio (MgB2)