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Materiales utilizados en
diseños electrónicos
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.
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).
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)?
No
No
Sí
Sí
¿Conduce la electricidad al
disolverse en agua?
No
No
Sí
--
Algunas
No
Sí
--
¿Maleabilidad y ductilidad?
No
No
No
Sí
¿Duro?
No
Sí
Sí
Si - No
¿Se disuelve en agua?
MATERIALES
DISEÑO ELECTRONICO,
MAGNETICO U OPTICO:
- Propiedades electrónicas
- Propiedades térmicas
DISEÑO ESTRUCTURAL:
- Propiedades mecánicas
- Propiedades térmicas
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 T0, 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 (SiO2) no.
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 .
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 eestán localizados y pueden moverse con dificultad
cuando se aplica un campo eléctrico; la movilidad
también aumenta si aumenta la TO, 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
Conductores
Conductividad Eléctrica (S·m-1)
Temperatura(°C)
Plata
6,30 × 107
20
Cobre
5,96 × 107
20
Aluminio
3,78 × 107
20
Semiconductores
Conductividad Eléctrica (S·m-1)
Carbono
2,80 × 104
Germanio
2,20 × 10-2
Silicio
1,60 × 10-5
Aislantes
Conductividad Eléctrica (S·m-1)
Vidrio
10-10 a 10-14
Mica
10-11 a 10-15
Teflón
< 10-13
Cuarzo
1,33 × 10-18
Temperatura(°C)
Temperatura(°C)
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).
COBRE - Símbolo: Cu.
Conductividad: 5,96 × 107 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.
ALUMINIO: Símbolo: Al.
Conductividad: 3,78 × 107 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.
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.
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.
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.
CONDUCTORES
SEMICONDUCTORES
AISLANTES
Justificación química y
estructural de la
Conductividad
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] 3d10 4s1
Al:[Ne] 3s2 3p1
Ag:[Kr] 4d10 5s1
Au:[Xe] 4f14 5d10 6s1
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.
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 eSi:[Ne] 3s2 3p2
Ge:[Ar] 3d10 4s2 4p2
• 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.
Incremento de la conductividad
eléctrica de un semiconductor
• Aumentando la T0
• Introduciendo impurezas
• Incrementando la iluminación
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 T0.
• 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.
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.
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-.
Elementos de la tabla periódica relacionados
con el comportamiento eléctrico
• Grupo III: configuración ns2 np1; B, Al, Ga, In y Tl; el único No
metal es B, el mas usado es Al.
• Grupo IV: configuración ns2 np2; C, Si, Ge, Sn y Pb; el C es
no metal y es aislante (diamante), Si y Ge semiconductores.
• Grupo V: configuración ns2 np3; 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 ns2 np4; 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.
Información de Soporte (S)
Conductividad y Temperatura
S1
•
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.
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.
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..
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.
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.
Tipos de Superconductores
S6
• Elementos Puros como Tecnecio (Tc) y Vanadio (V).
• Aleaciones, como por ejemplo
– El NbTi (Niobio-Titanio)
– El AuIn (Oro-Indio)
– El URhGe (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.
– El diboruro de magnesio (MgB2)