Unidad8 CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE LOS MATERIALES

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1 Unidad8 CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE LOS MATERIALES 1 PRESENTACION El diseño óptimo de un componente conductor requiere el compromiso de una buena conformación, de acuerdo a las funciones específicas para la que se destina, y el buen dimensionamiento, de acuerdo con la adecuada selección del material. La selección y el dimensionamiento requieren el conocimiento de los índices que califican y cuantifican las cualidades de cada uno de los materiales alternativos para esos componentes. En las unidades anteriores se han adquirido conocimientos sobre la estructura cristalina de los materiales, sus características mecánicas, la conformación y los posibles tratamientos que influyen sobre su microestructura y comportamiento mecánico, particularmente centrado en el caso de los metales. En la presente unidad vamos a estudiar las propiedades eléctricas de los materiales conductores: metales, aleaciones y semiconductores, los modelos teóricos que justifican la conducción eléctrica y procedimientos experimentales para la determinación de dichas propiedades. Planteamos como OBJETIVOS estudiar el fenómeno de la conducción eléctrica y la determinación experimental de las propiedades eléctricas, en términos de conductividad o resistividad eléctrica. La importancia del estudio de las propiedades eléctricas de los materiales es algo fuera de discusión. Basta con mirar a nuestro alrededor para percatarnos del campo de aplicación: líneas de tendido eléctrico, instrumentos electrónicos de medición, equipos de telecomunicación, ordenadores y computadoras, generadores y motores eléctricos, electrodomésticos... En suma, el dominio de la energía eléctrica a través del conocimiento de las leyes físicas y del FCM 8 / 93

2 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales comportamiento de los medios materiales activos del fenómeno conductor. La determinación de los índices que miden esas cualidades, o características de respuesta de los materiales ante un determinado requisito, se realiza por medio de ensayos y equipos normalizados. Estos deben de suministrar los parámetros de respuesta para la correcta selección del material más conveniente, bien en valor absoluto, permitiendo el dimensionamiento, bien en valor relativo, definidor de niveles de aceptación. 2 ANTECEDENTES: CONDUCTIVIDAD ELECTRICA 2.1 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA: INDICADORES En los materiales y dispositivos conductores, la propiedad principal para su diseño es la resistividad, o su inversa, la conductividad. Otras propiedades interesantes que completan el cuadro calificador de estos materiales se han visto ya, características resistentes, o aparecerán en los próximos capítulos: propiedades térmicas, ópticas y contra la degradación. Ohm comprobó que al someter los extremos de un material metálico a una diferencia de potencial V aparecía una corriente eléctrica I en el interior de éste, de forma que dicha diferencia de potencial e intensidad estaban ligadas a través de una magnitud física llamada resistencia eléctrica R, de acuerdo a la ley que lleva su nombre: V = R I (8.1) La resistencia eléctrica indica una reacción del material al paso de corriente eléctrica a través de él. Nos manifiesta una inercia u oposición a que los electrones fluyan por efecto de un campo eléctrico. La conductancia Λ es un concepto opuesto cualitativamente e inverso cuantitativamente al de resistencia. Nos indica una aptitud o facilidad para el paso de corriente por un material. Lógicamente, habrá materiales con mejor o peor conductividad, e incluso para el mismo material, diseños mas o menos apropiados para la conducción. Al ingeniero le interesa utilizar unas magnitudes físicas indicadoras de propiedades y comportamientos que le permitan diseñar y calcular elementos o componentes con su apropiado valor de resistencia eléctrica. Estos indicadores son la resistividad y la conductividad eléctrica. Definimos la resistividad como la resistencia que al paso de la corriente eléctrica ofrece un material por unidad de longitud y unidad de sección. La conductividad sería la inversa de la resistividad. Esto se expresa matemáticamente mediante la ecuación 8.2: ρ = 1 = R S σ L 0 0 (8.2) siendo: ρ, la resistividad en Ωcm S 0, superficie en cm 2 FCM 8 / 94 σ, la conductividad en (Ωcm) -1 L 0, longitud en cm R, resistencia en Ω Por convenio internacional, también se expresa la conductividad en términos porcentuales, de manera que se toma como conductividad relativa 100 % IACS, la que corresponde a la del Cu recocido cuya resistividad es 1'724 µωcm a la temperatura de 20 C.

3 2.2 Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales ENSAYOS DE LABORATORIO: DETERMINACION DE LA RESISTIVIDAD En este apartado se describen algunas técnicas experimentales ensayos habituales en la determinación de resistividades, así como los medios y procedimientos requeridos para conseguir la información que permita definir los indicadores del comportamiento eléctrico de conductores y semiconductores. Son distintas técnicas de ensayo que tienen por objeto determinar el parámetro resistencia eléctrica, de la cual puede calcularse la resistividad de los materiales conociendo previamente el factor geométrico. Se requiere diferente equipamiento, en función de la orientación física y matemática de los ensayos Método basado en la ley de Ohm. Consiste en la determinación de la resistividad a partir de la verificación de la ley de Ohm sobre el material que se ensaya. La figura 8.1 representa un esquema del montaje experimental, y que consta de fuente de alimentación, amperímetro y polímetro. Las probetas pueden ser cilíndricas, planas o hilos, pero se recomienda que su longitud sea del orden o mayor que la sección por la que pasa el flujo eléctrico, por razones de precisión y sensibilidad del instrumental. En la figura 8.2 podemos apreciar los parámetros geométricos de la probeta plana, necesarios para calcular la resistividad. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO a) Elaborar probetas, p.e. de Cu (O.F.H.C.), y determinar S 0 (a x b =100 mm 2 ). b) Marcar con dos granetazos separados la longitud L 0 (180 mm), entre los que se va a medir la caída de potencial. c) Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo. d) Conectar la fuente seleccionando la intensidad deseada (p.e. desde 1 A). V A A V Figura 8.1. Equipo para determinación de resistividades por procedimiento de Ohm. a l 0 b a x b = S 0 Figura 8.2. Probeta y magnitudes del parámetro geométrico. e) Medir la caída de potencial con el polímetro. Para ello, situar las puntas éste sobre los puntos FCM 8 / 95

4 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales de granete que definen L 0. f) Realizada la lectura, desconectar. Repetir el procedimiento desde el paso d) para una nueva intensidad (desde 1 hasta 10 A). g) Tabulación y tratamiento de los datos experimentales para el cálculo de la resistividad Método directo. Este procedimiento permite determinar la resistividad, midiendo la resistencia del material en un puente de Wheastone o de Kelvin, figura 8.3. La ventaja radica en una mayor precisión y simplificación del equipamiento, reduciendo los efectos térmicos sobre el valor de la resistividad por el paso de la corriente (efecto Joule). PROCEDIMIENTO DE ENSAYO a) Elaborar probetas, p.e. de Cu de alta pureza (O.F.H.C.), y determinar S 0 (a x b=100 mm 2 ). b) Marcar con dos granetazos separados la longitud L 0 (180 mm), entre los que se va a medir la caída de potencial. c) Montar la probeta en el módulo portamuestras y conectar al equipo. d) Conectar el puente. Modificar el selector de resistencias hasta que el puente equilibre el efecto de la resistencia problema. e) Anotar la lectura de ese valor de resistencia, cuando el equilibrado del puente marque 0 en el galvanómetro. Descontar el valor de la resistencia debida a hilos y conexiones (también determinada con dicho puente). Para los semiconductores existe un procedimiento adaptado de este tipo, llamado de cuatro puntas. El fundamento es utilizar un polímetro con 4 sondas para contacto, de forma que éste actúa como un autopuente de Wheastone. Rx R1 G R2 R3 Figura 8.3. Esquema del puente de Wheastone. 2.3 INFLUENCIA DE LA ALEACION EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES Objetivo de la experiencia Analizar la influencia del contenido de los elementos de aleación en las propiedades conductoras de los materiales metálicos Materiales empleados FCM 8 / 96

5 Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales Descripción del proceso y equipos Resultados obtenidos 2.4 INFLUENCIA DE LA DEFORMACION EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES Objetivo de la experiencia Analizar la influencia de la deformación plástica en las propiedades conductoras de los materiales metálicos Materiales empleados Descripción del proceso y equipos FCM 8 / 97

6 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales Resultados obtenidos 2.5 INFLUENCIA DE LA PRECIPITACION DE SEGUNDAS FASES EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES Objetivo de la experiencia Analizar la influencia de la precipitación de segundas fases, fundamentalmente debidas a procesos de endurecimiento por precipitación, en las propiedades conductoras de los materiales metálicos Materiales empleados Descripción del proceso y equipos FCM 8 / 98

7 Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales Resultados obtenidos 3 SEMICONDUCTIVIDAD Y MATERIALES SEMICONDUCTORES Huecos portadores mayoritarios que fluyen hacia la unión Huecos Tipo p Batería externa Tipo n Polarización directa Electrones portadores mayoritarios que fluyen hacia la unión Electrones Figura 8.4 Paso de corriente a través del diodo de unión P-N. características conductoras diferentes, figura 8.4. La marcada con N es mas conductora y abundan los electrones, mientras la P es mas resistiva y falta de electrones. Si lo conectamos a una batería externa según el modo directo N(-) y P(+), se observa un flujo neto de corriente desde la zona N a la P. El comportamiento es de baja resistencia eléctrica. Con pocos voltios, y en función de la constitución del diodo, aparecen intensidades de corriente desde ma hasta A. En la figura 8.5 observamos que la parte de curva que se corresponde con esa situación es la del cuadrante derecho, según la ecuación de tipo exponencial: El rango de conductividad en los materiales semiconductores es mas bajo que el de los metales. A pesar de ello, su aplicabilidad como material base para los dispositivos semiconductores para la industria electrónica es muy importante, debido a que los valores de conductividad son los requeridos para una gran parte de las condiciones de funcionamiento (intensidad, voltaje y temperatura de trabajo) que se dan en los equipos electrónicos actuales. Veamos con un ejemplo el diodo, componente activo elaborado basándose en materiales semiconductores. El diodo está constituido por una delgada lámina de Silicio, con dos zonas de Polarización inversa Corriente de fuga debido a los portadores minoritarios i, ma i, µa Flujo grande de corriente debido a los portadores mayoritarios V, voltios Polarización directa Figura 8.5. Característica I-V en un diodo. FCM 8 / 99

8 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales I = I e S en la que I S es la corriente de saturación, dependiente de la naturaleza del semiconductor, V, la tensión aplicada, y KT el producto de la constante de Boltzman por la temperatura. La conexión en modo inverso, N(+) y P(-), produce un efecto contrario: un bloqueo del paso de corriente, figura 8.6. Tenemos un comportamiento de alta resistencia eléctrica y tan solo son unos pocos na-ma los que atraviesan el diodo. En la curva I-V, esta situación se corresponde con la parte de la curva, en la gráfica anterior, en el cuadrante izquierdo. La ecuación del proceso es: V K T (8.3) V K T 2 I = I S e 1 (8.4) Las dos zonas del diodo están constituidas del mismo semiconductor, silicio en el caso anterior, pero tienen una diferencia en cuanto a su composición química. En la zona N se ha introducido fósforo, o cualquier otro elemento de su familia, mientras que la P contiene boro u otro elemento de su familia. Se dice que ambas zonas están dopadas, y como veremos posteriormente, el tipo e intensidad del dopado es determinante en las propiedades eléctricas del semiconductor y el dispositivo que se elabore con él. Los materiales semiconductores, antes de ser puestos en servicio, son sometidos a diversas operaciones de refinado, que reducen el nivel de impurezas a contenidos < 10-6 %. El lingote obtenido, debe ser fundido y resolidificado a muy baja velocidad con el fin de obtener una microestructura monocristalina, mucho mas apta para el comportamiento semiconductor. Dicha microestructura se obtiene cuando un germen precursor de semiconductor monocristalino entra en contacto con el material fundido. Huecos portadores mayoritarios que fluyen desde la unión Huecos Batería externa Electrones portadores mayoritarios que fluyen desde la unión Poco a poco, los átomos que entran en contacto con el germen pierden calor, solidifican sobre su superficie y adquieren su orden cristalino. El germen está sometido a un movimiento de rotación, y al mismo tiempo a un desplazamiento vertical, extrayendo el material ya solidificado. Dicho proceso se denomina de solidificación dirigida. El dopado se realiza durante el proceso de obtención del monocristal. Los dopantes se introducen con la ayuda de gases tales como PH 3, AsH 3, SbH 3, Al 2 H 6, B 2 H 6, cuya descomposición en atmósfera de argón proporciona el elemento necesario para definir la zona N o la P, según se desee fabricar. El elemento dopante entra en contacto con el semiconductor y se introduce en su microestructura por difusión. El lingote monocristalino obtenido se corta en secciones circulares, una de las cuales se pule hasta brillo especular. El motivo es dejar esa zona lo mas libre de defectos cristalinos y Tipo p Tipo n Electrones Polarización inversa Figura 8.6 Diodo de unión P-N polarizado en inversa. FCM 8 / 100

9 Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales mecánicos, que perjudicarían el rendimiento eléctrico del material. Las secciones circulares se denominan obleas, suelen tener un espesor de 0'4 a 1 mm. Una vez obtenidas éstas, si son de naturaleza N, se procede a elaborar la zona P. Existen dos técnicas básicas para crear la zona P sobre una ya existente N, aunque los métodos puedan variar: por crecimiento epitaxial o por difusión. En la primera, se codeposita sobre la oblea una capa de átomos de semiconductor y dopante, procedentes generalmente de una mezcla gaseosa (p.e. SiCl 4, B 2 H 6 y argón) que entra en reacción química y proporciona los elementos de dicha capa. 10 µm 100 µm Capa tipo n (debilmente dopada) tipo p tipo n Sustrato tipo n (fuertemente dopado) ARSENICO FOSFORO Sustrato tipo p Capa tipo p Sustrato tipo n tipo n Capa tipo n BORO FOSFORO Figura 8.7. Oblea de silicio con zonas de dopado diferencial. En la segunda, bien por medios físicos o químicos, se hace difundir el dopante de tipo P en la oblea de tipo N, cambiando la naturaleza de la zona redopada. La fuente de dopante puede ser gaseosa, líquida, sólida o plasmática, llamándose la técnica dopado por difusión. En la figura 8.7 se aprecia la estructura morfológica de las zonas de un diodo elaborado con dichas técnicas. 3.1 OBSERVACION MICROSCOPICA DE UN TRANSISTOR PLANAR Objetivo de la experiencia Observar la morfología superficial de un material semiconductor que constituye un transistor planar. Observar las soldaduras de unión con los conductores metálicos. Observar un corte transversal de los constituyentes del componente Materiales de observación Descripción macroscópica de los diferentes componentes observados FCM 8 / 101

10 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales Descripción microscópica de los diferentes componentes observados 3.2 OBSERVACION MICROSCOPICA DE COMPONENTES SEMICON- DUCTORES COMPLEJOS Objetivo de la experiencia Observar por microscopía óptica y electrónica de circuitos lógicos de memoria, EEPROM. Observación del trazado de pistas e interconexión con el circuito impreso y de las zonas de acceso Materiales empleados Dibuja el aspecto que presenta la superficie del semiconductor a diferentes aumentos FCM 8 / 102

11 Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales 4 CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS 1. Representa la relación entre la resistividad obtenida y el contenido en Sn de los diferentes bronces ensayados. Obtención si es posible el modelo matemático que justifica su comportamiento. 2. A la vista del diagrama de equilibrio Cu-Zn, justifica la evolución de las características eléctricas de latones, aleaciones Cu-Zn, con contenidos crecientes desde un 10 a un 40% de Zn. 3. Justifica la diferente resistividad con la deformación plástica. Compara el resultado obtenido en la probeta con acritud y la probeta recocida. 4. Relaciona la resistividad del material con el contenido de fase precipitada, obtenido por las variables del proceso de envejecimiento de los materiales metálicos. 5. Cual es el mecanismo fundamental utilizado en el dopado de semiconductores? 6. A la vista de la observación microscópica realizada, describe como puede realizarse la unión o soldadura de los conductores al emisor y colector del transistor. 7. Describe los diferentes constituyentes observables en un corte transversal de un transistor y los materiales con los que se realizan. 8. Justifica como se realiza la unión del semiconductor con la base de Cu o Al que se incorpora en el circuito integrado. Necesita el tratamiento metalizar el semiconductor?. FCM 8 / 103

12 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales ALUMNO APELLIDOS: GRUPO DE PRÁCTICAS: NOMBRE: FECHA DE ENTREGA: RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER FCM 8 / 104