PROPRIEDADES MECÂNICAS, ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS

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1 PROPRIEDADES MECÂNICAS, ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS

2 Utilização dos metais - Metais puros: cobre para fiação zinco para revestimento de aço alumínio para utensílios domésticos

3 Ligas metálicas - Um segundo metal é adicionado para melhorar as propriedades do conjunto.

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

5 Ligas monofásicas - latão = cobre + zinco - bronze = cobre + estanho - ligas cobre-níquel

6 Ligas metálicas polifásicas - São ligas onde o limite de solubilidade foi ultrapassado. - A maioria dos aços é assim classificada

7 PROPRIEDADES ELÉTRICAS CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ) É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra. σ = 1/ρ= n.q.µ σ= condutividade elétrica (ohm -1.cm -1 ) ρ= resistividade elétrica (ohm.cm) n= número de portadores de carga por cm 3 q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19 coulombs] µ= mobilidade dos portadores de carga (cm 2 /V.s) R = ρ. l/a

8 PROPRIEDADES ELÉTRICAS SEMICONDUTORES Tem resistividade entre metais e isolantes Ω.cm Ω.cm A resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais) A resistividade diminui com a adição de certas impurezas A resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais.

9 PROPRIEDADES ELÉTRICAS EXEMPLOS 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

10 EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES SÃO USADOS PARA A FABRICAÇÃO DOS SEGUINTES DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS Transistor Diodos Circuito integrado LEDS Detetores de infravermelho Células solares, etc.

11 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,...

12 A- METAIS LIGAÇÃO QUÍMICA 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.

13 EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE

14 EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE ESTRUTURA PERFEITA A MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS BAIXA TEMPERATURA ALTA TEMPERATURA MOVIMENTO DOS ELÉTRONS EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS

15 LIGAÇÃO QUÍMICA B- 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 SEMICONDUTOR O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.

16 BANDAS DE ENERGIA Os 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.

17 GAP DE ENERGIA (BANDA PROÍBIDA) É o espaço entre as bandas de energia É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante.

18 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.

19 CONDUTOR Os 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 valênci incompleta

20 Os elétrons preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e por isso a condução NÃO ocorre na banda de valência. ISOLANTES Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de energia Nível de fermi BANDA DE CONDUÇÃO GAP DE ENERGIA BANDA DE VALÊNCIA Gap de um Semicondutor: 0,1-5 ev Gap de um isolante é maior

21 SEMICONDUTOR Da mesma forma que nos isolantes, os elétrons preenchem todos os estados possíveis da banda de valência. Nível de fermi Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de energia BANDA DE CONDUÇÃO GAP DE ENERGIA BANDA DE VALÊNCIA Gap de um Semicondutor: 0,1-5 ev Gap de um isolante é maior

22 SEMICONDUTOR Num 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.

23 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) 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

24 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros.

25 CONDUÇÃO EXTRÍNSECA Quando 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

26 (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P).Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para CRIAR buracos extras. Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extras Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Boro (valência 3)

27 (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P) BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA BURACOS EXTRA

28 (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P) NÍVEL DE FERM I

29 (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N) Impurezas tipo "n" ou doadores. proporcionam elétrons extra Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Fósforo (valência 5)

30 (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N) NÍVEL DE FERMI

31 CONDUÇÃO EXTRÍNSECA CONSIDERAÇÕES GERAIS Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos. A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor.

32 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.

33 -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. JUNÇÃO P-N

34 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS

35 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS A maioria dos elementos e materiais não exibem propriedades magnéticas. Materiais que exibem propriedades magnéticas: Ferro, Níquel, Cobalto, Gadolíneo, algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B,...)

36 Ferromagnetismo É 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

37 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

38 Domínios magnéticos ão regiões da estrutura do material nde todos os átomos cooperam agneticamente, ou seja, são zonas e magnetização espontânea <0,05mm). Quando um campo magnético aplicado, os domínios magnéticos endem a se alinhar com o campo e, ntão, o material exibe propriedades agnéticas.

39 Ponto de Curie É a temperatura na qual os domínios magnéticos são destruídos.

40 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 Gauss Força coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo que tem de ser aplicado para desmagnetizar. É dado em Oersted Material com elevado Hc = consome energia para alinha 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

41 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 Duras Ligas Magnéticas Macias

42 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

43 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)

44 CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAG. DURAS E MACIAS

45 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 elemento e liga (acima do limite de solubilidade), contribui para o umento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da segunda fas aior o Hc. O endurecimento causado pela transformações de fase ou ela diminuição do tamanho de grão aumentam o Hc, porqu vitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos.

46 Variação da resistividade com a temperatura para semicondutores Aumentando a temperatura diminui a condutividade umenta a resistividade para os metais Condutividade elétrica : σ = n i q(µ n + µ q ) Variação com a temperatura: σ = σ o exp(-e g /2kT) porcentagem de ransporte de cargas: