As propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de impurezas, mesmo em muito pequenas concentrações.

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1 SEMICONDUTORES

2 A condutividade dos semicondutores não é mais alta daquela dos condutores, (metais), entretanto, eles têm algumas características elétricas que os tornam especiais. As propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de impurezas, mesmo em muito pequenas concentrações. Os semicondutores intrínsecos são aqueles nos quais o comportamento elétrico está baseado na estrutura eletrônica inerente do material puro, mas quando as características elétricas são determinadas por átomos de impurezas, o semicondutor é extrínseco.

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4 ISOLANTES, SEMICONDUTORES E METAIS Isolante é um condutor de eletricidade muito pobre; Metal é um excelente condutor de eletricidade; Semicondutor possui condutividade entre os dois extremos acima.

5 O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural, não é um bom condutor, nem um bom isolante.

6 SILÍCIO E O GERMÂNIO O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. O silício é o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra.

7 TEMPERATURA, LUZ E IMPUREZAS Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

8 MODELOS ATÔMICOS DE BOHR O átomo - é constituído por partículas elementares, as mais importantes para o nosso estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons. Camada de Valência - A última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência.

9 MATERIAIS SEMICONDUTORES

10 CAMADA DE VALÊNCIA O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro da estrutura. Os elétrons de valência podem absorver energia externa suficiente para se tornarem elétrons livres.

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12 CORRENTE EM SEMICONDUTORES Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução. Elétrons na banda de valência: movem-se ocupando posições disponíveis no reticulado, preenchendo os vazios deixados pelos elétrons livres - Condução de lacunas migrando ao longo do material no sentido oposto ao movimento do elétron livre.

13 MATERIAIS EXTRINSECOS Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas e chamado de material extrínseco. Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P.

14 MATERIAL DOPADO TIPO N Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo. O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal. O material tipo N resultante, e eletricamente neutro.

15 MATERIAL DOPADO TIPO P O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio. Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna ou (buraco). Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores. O material tipo P resultante é eletricamente neutro.

16 SEMICONDUTORES DOPADOS OU EXTRÍNSECOS Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico, fósforo à produzem semicondutores do tipo-n, por contribuirem com elétrons extras (impurezas doadoras). Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, gálio à produzem semicondutores do tipo-p, por produzirem lacunas ou deficiência de elétrons (impurezas aceitadoras). N P

17 ESTRUTURA DE BANDAS DE ENERGIA Banda de condução Banda proibida Elétrons livres Banda de condução Banda de Valência Lacunas isolante semicondutor condutor Banda de Valência

18 EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal

19 Tensão (MPa) Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Frágil Limite de resistência à tração Plástico Elastômero Deformação

20 Tensão Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Limite de resistência à tração Limite de escoamento Deformação

21 Tensão Deformação em polímeros plásticos e frágeis Limite de escoamento Início da formação do pescoço Deformação A deformação é confinada ao pescoço!

22 Propriedades mecânicas de polímeros Tensão x Deformação Limite de resistência Limite de Alongamento na Polímero à tração escoamento fratura (MPa) (MPa) (%) Polietileno (baixa densidade) Polietileno (alta densidade) 8,3-31,4 9,0 14, ,1 31,0 26,2 33, PMMA 48,3 72,4 53,8 73,1 2,0 5,5 Náilon 75,9 94,5 44,8 82, PVC 40,7 51,7 40,7 44, PTFE 20,7 34, Metais

23 MATERIAIS CERÂMICOS Cubo de sílica de isolamento térmico. O interior do cubo está a 1250ºC e pode ser manuseado sem protecção.

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25 MATERIAIS CERÂMICOS

26 MATERIAIS CERÂMICOS Características Gerais ALUMINA Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos (formam óxidos, nitretos e carbetos) Geralmente a ligação predominante é iônica SiC São mais resistêntes à altas temperaturas (devido ao elvado PF) e à ambientes severos que metais e polímeros Em geral são leves

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28 OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais

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30 A LIGAÇÃO IÔNICA E AS ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto. Como consequência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)

31 LIGAÇÃO IÔNICA As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é nãodirecional os átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as forças atrativas igual em todas as direções. A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb

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34 CARACTERÍSTICAS DOS ÍONS QUE AFETAM A ESTRUTURA CRISTALINA CARGA TAMANHO (RAIO IÔNICO)

35 CONSIDERAÇÕES SOBRE CARGA Como o cristal deve ser eletronicamente neutro todas as cargas positivas devem ser contrabalançadas com um número igual de cargas negativas. Ex: CaF 2 A relação deve ser de um átomo de Ca para dois de F pois: Carga do Ca: +2 Carga do F= -1

36 CONSIDERAÇÕES SOBRE RAIO IÔNICO (R c e R A ) R c: em geral são menores porque cedem elétrons R A: em geral são maiores porque recebem elétrons Então: R c/ R A <1

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38 ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atómicas iônicas ou covalentes As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas Exemplo: O óxido de Silício (SiO 2 ) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite

39 MATERIAIS CERÂMICOS PROPRIEDADES TÉRMICAS E FÍSICAS Densidade: 2-3 g/cm 3 Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que são supercondutores. A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros.

40 MATERIAIS CERÂMICOS PROPRIEDADES MECÂNICAS Apresentam baixa resistência ao choque. São duros e frágeis em relação à tração (~17 kgf/mm 2 ). São resistentes em relação à compressão. O módulo de elasticidade é alto: ~45.500kgf/mm 2 (aço: kgf/mm 2 ). Têm alta dureza e alta resistência ao desgaste.

41 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS CRISTALINOS Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos AMORFOS (VIDROS) Em geral com a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento VIDRO-CERÂMICOS Formados inicialmente como amorfos e tratados termicamente Os cerâmicos avançados são baseados em óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza O Silício e o Oxigênio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo!

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47 MATERIAIS CERÂMICOS PRINCIPAIS APLICAÇÕES Ind. Mecânica, elétrica e química SiC - ALUMINA NITRETO DE SILÍCIO

48 MATERIAIS CERÂMICOS Materiais cerâmicos são extremamente duros podendo atingir 9,5 na escala Mohs

49 ÓXIDOS: PODEM SER SIMPLES OU MISTOS EXEMPLOS DE ÓXIDO SIMPLES: - Alumina (Al 2 O 3 ), - Berília (óxido de berilo), - Magnésia (óxido de Mg), - Zirconia (óxido de zircônio), - Tória (óxido de tório) - Sílica (SiO 2 ) ÓXIDO MISTOS: são misturas de alumina, magnésia e sílica

50 ALUMINA CARACTERÍSTICAS: - Baixo custo - Boas propriedades mecânicas - Excelente resitividade elétrica e dielétrica - Resistente à ação química - Aplicações: isoladores elétricos, aplicações aeroespaciais, componentes resistentes à abrasão,.

51 BERÍLIA CARACTERÍSTICAS: - Apresenta boa condutividade térmica - Alta resistência Mecânica - Boas propriedades dielétricas - É cara e difícil de trabalhar - A poeira é tóxica - Aplicações: giroscópios, transistores, resistores,

52 MAGNÉSIA CARACTERÍSTICAS: - Têm aplicações limitadas porque não é suficientemente resistente e é susceptível ao choque térmico, devido sua elevada dilatação térmica.

53 ZIRCÔNIA CARACTERÍSTICAS: - Apresenta-se em várias formas (monoclínica, cúbica estabilizada,..) - A zircônica estabilizada apresenta: Alta tempratura de fusão (2760 C) Baixa condutividade térmica Alta resistência à ação química

54 TÓRIA CARACTERÍSTICAS: - É o material cerâmico mais estável e o de mais alto ponto de fusão (3315 C) - - Aplicado em reatores nucleares

55 OUTROS TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS CARBONETOS: - Carboneto de Tungstênio, carboneto de silício (conhecido como carborundum), carbonto de titânio. BORETOS: - Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônio NITRETOS DE BORO E SILÍCIO: - Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao diamante e resiste sem oxidação até 1926 C

56 PEÇA RECOBERTAS COM TIC

57 CARBONETO DE SILÍCIO Apresenta elevada condutividade térmica Baixa dilatação térmica (baixo choque térmico) É um dos melhores materiais sob o ponto de vista de resitência ao desgaste e à abrasão

58 BORETOS Apresentam alta dureza Elevada relação resistência/rigidez Resitência à elevadas temperaturas

59 VIDROS DA FAMÍLIA SODA-CAL São os mais antigos, mais baratos e mais utilizados São de fácil conformação Podem ser usados até temperaturas de 460 C no estado recozido e até 250 C no estado temperado Aplicações: Janelas, garrafas, copos,

60 VIDROS AO CHUMBO Têm alta resistividade elétrica Custo relativamente baixo Aplicações: Tubulações de sinalização de neônio, diversos componentes ópticos,

61 VIDROS AO SILICATO DE BORO Têm excelente durabilidade química Excelente resitência ao calor e ao choque térmico O tipo mais + comum é o pyrex e o kovar Aplicações: Vedações, visores, medidores, tubulações, espelhos de telescópios, vidros de laboratórios, vidros de fornos,

62 VIDROS AO SILICATO ALUMINOSO São de custo elevado Apresentam boa resistência a temperaturas relativamente elevadas e boa resistência ao choque térmico Boa resistência `a produtos químicos Aplicações: Termômetros para altas temperaturas, tubos de combustão, utensílios para empregos em fornos de cozinhar,

63 VIDROS DE SÍLICA FUNDIDA São constituídos 100% de sílica São muito puros e um dos mais transparentes São os mais resistentes à temperatura (resistem até 1260 ) Possuem excelente resistência ao choque térmico e à ação de agentes químicos São de custo elevado e de conformação difícil Aplicações: Especiais como sistemas ópticos de laboratório, instrumentos para laboratório de pesquisa