Unidad8

Unidad
8
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
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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
2.1
ANTECEDENTES: CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
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 =
siendo: ρ, la resistividad en Ωcm
σ, la conductividad en (Ωcm)-1
1
S0
= R
σ
L0
(8.2)
S0, superficie en cm2
L0, 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.
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Unidad 8 - Características eléctricas de los materiales
2.2
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.
2.2.1 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.
V
V
A
A
Las probetas pueden ser cilíndricas,
Figura 8.1. Equipo para determinación de resistividades por
planas o hilos, pero se recomienda que su
procedimiento de Ohm.
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 S0 (a x b =100 mm2).
b) Marcar con dos granetazos separados la longitud L0 (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).
a
b
l0
a x b = S0
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
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de granete que definen L0.
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.
2.2.2 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 S0 (a x b=100 mm2).
b) Marcar con dos granetazos separados la longitud L0 (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.
2.3
R2
Rx
G
R1
R3
Figura 8.3. Esquema del puente de
Wheastone.
INFLUENCIA DE LA ALEACION EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS
METALES
2.3.1 Objetivo de la experiencia
Analizar la influencia del contenido de los elementos de aleación en las propiedades
conductoras de los materiales metálicos.
2.3.2 Materiales empleados
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2.3.3 Descripción del proceso y equipos
2.3.4 Resultados obtenidos
2.4
INFLUENCIA DE LA DEFORMACION EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS
METALES
2.4.1 Objetivo de la experiencia
Analizar la influencia de la deformación plástica en las propiedades conductoras de los
materiales metálicos.
2.4.2 Materiales empleados
2.4.3 Descripción del proceso y equipos
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2.4.4 Resultados obtenidos
2.5
INFLUENCIA DE LA PRECIPITACION DE SEGUNDAS FASES EN LA
CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES
2.5.1 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.
2.5.2 Materiales empleados
2.5.3 Descripción del proceso y equipos
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2.5.4 Resultados obtenidos
3
SEMICONDUCTIVIDAD Y MATERIALES
SEMICONDUCTORES
Batería externa
Huecos portadores
mayoritarios que fluyen
hacia la unión
Electrones portadores
mayoritarios que fluyen
hacia la unión
Huecos
Electrones
Tipo p
Tipo n
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
Figura 8.4 Paso de corriente a través del diodo de
unión P-N.
semiconductores. El diodo está constituido por una
delgada lámina de Silicio, con dos zonas de
características conductoras diferentes, figura 8.4.
La marcada con N es mas conductora y abundan
Flujo grande de corriente
i, mA
debido a los portadores
los electrones, mientras la P es mas resistiva y
mayoritarios
falta de electrones.
Polarización directa
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:
Polarización inversa
V, voltios
Corriente de fuga debido a
los portadores minoritarios
Polarización directa
i, µA
Figura 8.5. Característica I-V en un diodo.
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I = IS e
V
KT
(8.3)
en la que IS 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:
I
=
IS
 V
 2KT
 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 .
Batería externa
Huecos portadores
mayoritarios que fluyen
desde la unión
Electrones portadores
mayoritarios que fluyen
desde la unión
Huecos
Electrones
Tipo p
Tipo n
Polarización inversa
Figura 8.6 Diodo de unión P-N polarizado en inversa.
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 PH3, AsH3, SbH3, Al2H6, B2H6, 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
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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. SiCl4, B2H6 y argón) que entra en reacción química y proporciona los elementos de dicha
capa.
Capa tipo n
10 µm
100 µm
Sustrato tipo p
tipo p
Capa tipo n
(debilmente dopada)
Sustrato tipo n
(fuertemente dopado)
tipo n
ARSENICO
tipo n
Capa tipo p
BORO
Sustrato tipo n
FOSFORO
FOSFORO
Figura 8.7. Oblea de silicio con zonas de dopado diferencial.
3.1
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.
OBSERVACION MICROSCOPICA DE UN TRANSISTOR PLANAR
3.1.1 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.
3.1.2 Materiales de observación
3.1.3 Descripción macroscópica de los diferentes componentes observados
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3.1.4 Descripción microscópica de los diferentes componentes observados
3.2
OBSERVACION
MICROSCOPICA
DUCTORES COMPLEJOS
DE
COMPONENTES
SEMICON-
3.2.1 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.
3.2.2 Materiales empleados
3.2.3 Dibuja el aspecto que presenta la superficie del semiconductor a diferentes aumentos
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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?.
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ALUMNO
APELLIDOS:
GRUPO DE PRÁCTICAS:
NOMBRE:
FECHA DE ENTREGA:
RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER
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