TEORÍA DEL SEMICONDUCTOR

INTRODUCCIÓN

Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente

Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del siliceo es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que puden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.

Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrónes pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1

Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Elemento GrupoElectrones enla última capa

Cd II B 2 e-

Al, Ga, B, In III A 3 e-

Si, C, Ge IV A 4 e-

P, As, Sb V A 5 e-

Se, Te, (S) VI A 6 e-

El elemento semiconductor más usado es el Silicio, el segundo el Germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

Contenido

1 Tipos de semiconductores o 1.1 Semiconductores intrínsecos o 1.2 Semiconductores extrínsecos

1.2.1 Semiconductor tipo N 1.2.2 Semiconductor tipo P

2 Véase También 3 Enlaces externos

[editar] Tipos de semiconductores

[editar] Semiconductores intrínsecos

Es un cristal de silicio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y es en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

[editar] Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

[editar] Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).

Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una

[editar] Semiconductor tipo P

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Cuando el material dopante es añadido , éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo IV A de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo IIIA de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrara en condición de aceptar un electrón libre.

Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Introducción

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.

En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el

producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio

Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación.

2. Estructura de los materiales compuestos

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz,

mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

Material compuesto

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Saltar a navegación, búsqueda

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales

originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad [1]. Los materiales compuestos que cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

No pertenecen a los materiales compuestos aquellos materiales polifásicos, como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes[2]

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Contenido

[ocultar]

1 Estructura 2 Clasificación

o 2.1 Materiales Compuestos reforzados con partículas. o 2.2 Materiales Compuestos reforzados con fibras. o 2.3 Materiales compuestos estructurales.

3 Ejemplos de materiales compuestos 4 Procesos de fabricación 5 Véase también 6 Bibliografía 7 Commons

[editar] Estructura

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

[editar] Clasificación

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

[editar] Materiales Compuestos reforzados con partículas.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Endurecidos por dispersión Formados por partículas verdaderas

[editar] Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

[editar] Materiales compuestos estructurales.

Panel sandwich con núcleo en forma de panal.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia,, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

[editar] Ejemplos de materiales compuestos

Plásticos reforzados con fibra: o Clasificados por el tipo de fibra:

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente,

"fibra de vidrio")o Clasificados por la matriz:

Termoplásticos reforzados por fibra larga.

Termoplásticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs: o Cermet (cerámica y metal).o Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)o Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica: o Hormigón /Concretoo Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).o Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)o Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico o Madreperla o nácaro Concreto asfáltico

Madera mejorada o Contrachapado o Tableros de fibra orientada (OSB).o Trexo Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)o Pycrete (serrín en matriz de hielo)

[editar] Procesos de fabricación

Moldeo SMZ Moldeo por proyección Moldeo por vía húmeda ó contacto Apilado por bolsa de vacío Resine Transfer Moulding, RTM Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM Resine Infusion Moulding, RIM Filament Winding Fiber Placement Pultrusión Automatic Tape Laying, ATL Eb couring

[editar] Véase también

Composite Mundo Material Mecanizado de materiales compuestos Fabricación de materiales compuestos

[editar] Bibliografía

[1] Askeland" Ciencia de los Materiales" [2] Shackelford "Introducción a la Ciencia de los Materiales para Ingenieros" Callister. Ciencia e ingeniería de materiales.

FUNDAMENTOS DE CIENCIAS MATERIALES

PRÁCTICAS DE LABORATORIO

ENSAYO DE DUREZA

-DUREZA BRINELL

-DUREZA VICKERS

-DUREZA ROCKWELL

ENSAYO DE TRACCIÓN

ENSAYO DE COMPRESIÓN

ENSAYO DE RESILIENCIA

-ENSAYO IZOD

-ENSAYO CHARPY

: Los ensayos de materiales son procedimientos normalizados destinados a determinar propiedades y características, y el comportamiento de los materiales en servicio.

Los ensayos de materiales sirven principalmente para:

1. La caracterización de materiales.

2. Control de calidad, al principio, durante y al final del proceso. Permite conocer que el material sigue poseyendo las propiedades exigidas.

3. Determinación de fallos en servicio, permitiendo también analizar las causas de los fallos.

ENSAYO DE DUREZA

El ensayo de dureza permite conocer la dureza de los materiales. Es difícil definir la dureza. Depende del ensayo que empleemos. Podríamos definir como la resistencia superficial a la deformación plástica, entendiendo como plasticidad la capacidad de un material para no recuperar su estado inicial una vez cesa la fuerza que lo deformaba.

La dureza metalúrgica es la resistencia que opone un material a la penetración de otro mas duro que él. Cuanto mayor es la penetración, mas blando es el material. Como ya se ha dicho, el valor obtenido depende del ensayo con que le hemos obtenido. Obtendremos entonces tantas durezas como tipos de ensayos. Se pude hablar de tipos de ensayo o tipos de dureza.

Primer ensayo. Ensayo Brinell.

Objetivo:

Es obtener al dureza a una penetración estática (dureza estática). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente en el material. El penetrador no presenta ninguna deformación superficial.

Modo operativo.

El penetrador es una bola de acero cuyo diámetro puede ser de 1,25; 2,5; 5; 7 y 10 mm. En este ensayo utilizaremos una esfera de 2,5 mm de diámetro.

Esta máquina utiliza una carga de 10 Kg, pero no como precarga, sino para su correcto funcionamiento. La dureza Brinell se obtiene sin precarga, solo mediante la fuerza aplicada por la máquina. Midiendo el diámetro de la huella que deja, con un microscopio o lupa, se determina la dureza:

Ateniéndonos a la definición, el número de dureza Brinell (como esfuerzo de contacto), es la relación de la carga P que efectúa el indentador esférico de diámetro D, al área de la superficie de la huella.

En la práctica se usa la siguiente fórmula de trabajo:

Se debe tener sumo cuidado en que el diámetro de la huella esté entre el 25% y 60% del diámetro de la bola. Es decir, para las condiciones estándar (bola de 10 mm), el diámetro de la huella debe estar entre 2,5 y 6 mm. En la literatura se considera que la huella “ideal” es de d= 0,375 D.

 

Resultados.

Material Escala Penetrador Carga preliminar Carga total Resultado

Acero F114 Brinell Bola 10 ø No 3000 Kg. 178.5 HB

Cobre Brinell Bola 2,5 ø No 62,50 Kg 86.8 HB

Aluminio Brinell Bola 2,5 ø No 31,25 Kg 108.9 HB

Conclusiones y limitaciones del ensayo.

Las limitaciones son:

Solo se pueden medir materiales blandos, hasta aproximadamente 400 HB. El máximo posible con la bola mas dura es de 725 HB.

Han de tener un espesor mínimo las piezas a ensayar, de aproximadamente unas 10 veces el espesor de la huella.

Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy próximas entre ellas, ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformación).

No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta.

Segundo ensayo. Ensayo Vickers.

Objetivo.

Es obtener al dureza a una penetración estática (dureza estática). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente. El método Brinell, ya estudiado, posee una serie de insuficiencias. Con dicho método no se puede ensayar probetas si su dureza se aproxima a la dureza de la bola, porque ésta sufre deformaciones que alteran los resultados del ensayo. Si se utilizan bolas de acero este hecho limita la prueba Brinell a durezas máximas HB 400...500, si se usan bolas de carburo se limita a durezas HB 630. A causa de la gran profundidad de la impronta es imposible determinar la dureza de la capa superficial especialmente tratada, porque la bola penetra a través de esta capa a la parte interior más blanda. La medición del diámetro de la impronta a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de hallar otros métodos de determinación de la dureza.

Modo operativo.

Para obtener la dureza Vickers de la superficie de un material se presiona contra la probeta un indentador piramidal de diamante con ángulo entre sus caras = 136°. La pirámide se mantiene algún tiempo bajo la carga P . Luego de retirada la carga se miden las dos diagonales de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la fórmula de trabajo para obtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más.

Las cargas sobre el penetrador van desde 1 hasta 120 Kg. El tiempo a mantener la carga está fijado en 30 segundos en España.

Debido a que el valor del ángulo es constate e igual a 136°, en la práctica se usa la siguiente fórmula de trabajo:

Resultados.

Material Escala Penetrador Carga preliminar Carga total Resultado

Acero F114 VickersPirámide diamante

No 100Kg 201.5 HV

Conclusiones y limitaciones del ensayo.

La utilización de una pirámide de diamante tiene las siguientes ventajas: 1) las improntas resultan bien perfiladas, cómodas para la medición; 2) la forma de las improntas es geométricamente semejante, por lo cual la dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la carga; 3) la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los materiales de dureza media; 4) este método es aplicable con igual éxito para los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales.

También hay que tener las siguientes precauciones:

a) Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy próximas entre ellas, ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformación).

No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta.

Para la escoger la magnitud de la carga nos basamos en criterios de conveniencia, debemos recordar que el método Vickers posee semejanza geométrica interna y en un principio es indiferente la carga aplicada. Sin embargo una carga muy alta puede causar que el indentador penetre más allá de la capa superficial a la que se desee medírsele la dureza, de otro lado una impronta muy pequeña es difícil de medir y las imperfecciones geométricas de la pirámide influyen en la precisión del método.

Tercer ensayo. Ensayo Rockwell

Objetivo.

Los métodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de desarrollar otros métodos de determinación de la dureza llevando al desarrollo de métodos como el Rockwell, en el cual la medición de la dureza es mucho más ágil y objetiva. El método de Rockwell aunque es un método de indentación no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente proporcional a la penetración del indentador.

Modo operativo.

El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la siguiente figura

 

 

Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa P0, la cual se mantiene hasta el final del ensayo. Esto garantiza una mayor exactitud del ensayo ya que excluye la influencia de las vibraciones y de las irregularidades de la delgada capa superficial. Después se expone la probeta a la acción de la carga total Pf = P0 + P1 , y la profundidad de penetración aumenta. Luego de retirada la carga principal P1, en el sistema probeta-indentador ocurre una recuperación elástica, ya que sobre el actúa sólo la carga previa P0, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h, la cual determina el número de dureza Rockwell (HR). 

Entre el número de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia:

 

Para el cono de diamante

Para las bolas de acero

 

De estas fórmulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetración de 0,002 mm y que el valor de dichas unidades debe ser restado

de cierto “tope” para que haya coherencia: a menor profundidad de penetración mayor será el número de Rockwell y viceversa.

 

En la práctica no hay necesidad de usar estas fórmulas, ya que los indicadores de las máquinas de Rockwell de manera automática realizan estas operaciones mostrando directamente el número de dureza en sus diales. Esta característica granjeó para este método un gran popularidad.

Resultados.

Material Escala Penetrador Carga preliminar Carga total Resultado

F114 templado

Rockwell CCono diamante

10 Kg. 150 Kg 54.3 HRC

F521 Rockwell CCono diamante

10 Kg. 150 Kg 54 HRC

F114 recocido

Rockwell BEsfera 1/16 pulgadas

10 Kg. 100 Kg 85.1 HRB

Fundición Rockwell CCono diamante

10 Kg. 150 Kg 11 HRC

Fundición Rockwell BEsfera 1/16 pulgadas

10 Kg. 100 Kg 97 HRB

Chapa Al Rockwell BEsfera 1/16 pulgadas

3 Kg. 15 Kg 72 H RB

Conclusiones y limitaciones del ensayo.

Las probetas deben ser limpiadas para retirar el óxido, suciedad y escamas de una de sus caras donde se realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la superficie durante el procedimiento de limpieza. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie esté en la normal del eje del indentador.

Las esferas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850.

ENSAYO DE TRACCIÓN

Fundamento de ensayo. Forma de realizar el ensayo. Estudio de las probetas.

Son ensayos mecánicos y destructivos. Este es el ensayo mecánico más importante. Da resultados como la resistencia mecánica, elasticidad, tenacidad, estricción...

El ensayo más característico consiste en someter a la probeta a un esfuerzo de tracción hasta que se rompe. Se va aumentando el esfuerzo y anotando las deformaciones, para luego representarlo gráficamente. Es un ensayo estático, la carga se aplica muy lentamente. Se usan probetas normalizadas. Para el ensayo son cilíndricas con un cuerpo central y dos cabezas de mayor diámetro. En plásticos y soldaduras se usan planas. Pueden tener una longitud entre marcas cualquiera (lo), pero han de cumplir la ley de semejanza. l / "So= 5,65

Como la probeta puede no romper por el centro se hacen tres marcas de lo, central y próximas a las cabezas.

Análisis de la información obtenida en el ensayo. Estudio de los puntos más importantes en el diagrama Esfuerzo-Deformación. Comparación de distintos diagramas, según diferentes materiales. Análisis de la fractura.

Información obtenida en el ensayo:

Tensión normal unitaria: fuerza o carga aplicada por ud. de longitud(): =F/So.

Tramos:

1º Tramo: en esta zona las deformaciones son proporcionales a las tensiones aplicadas. Se cumple la ley de Hooke. E = /

Limite real de elasticidad (e). Es el mayor esfuerzo que, al dejar de actuar, no produce ninguna deformación permanente. Como este valor es muy difícil de medir (requiere instrumentos de gran precisión), en la práctica se toma la tensión unitaria que produce un alargamiento del 0.003%.(e(0.003%))

Limite de proporcionalidad, es la tensión por encima de la cual la deformación deja de ser proporcional al esfuerzo aplicado.(Donde la gráfica deja de ser recta y empieza a curvarse)

2º Tramo: esta es la zona de deformación permanente. La cesar la carga queda una deformación residual. Al final de este tramo hay que aumentar considerablemente la tensión para llegar al 3º tramo.

Limite de fluencia o límite elástico aparente (f): es la tensión a partir de la cual las deformaciones se hacen permanentes. Existen limites superiores e inferiores. No todos los materiales presentan fluencia. Cuando esto ocurre se da el limite elástico convencional. Es la tensión que aplicada durante 10 segundos deja una deformación permanente del 0.2% (e(0,2%)) Este valor es el mas utilizado y da lugar a la tensión admisible. ads<e(0.2%)/coef.seguridad

3º Tramo: es el tramo de estricción y ruptura. Al llegar a este tramo la probeta empieza a estrecharse, las cargas disminuyen y la probeta acaba por romperse.

Resistencia mecánica o resistencia a la tracción. Es la carga máxima por ud de superficie. También llamada carga de ruptura. r= Fmax/So.

Tensión ultima(u): es la tensión en el momento de la ruptura por ud de superficie. u ç=Fu/So.

Alargamiento en la ruptura(): =((l-lo)/lo)x100

Estricción() :da idea de la ductilidad del material. =((So-S)/So)x100

Tenacidad: es la capacidad del material en la deformación y rotura de la probeta. La tenacidad viene representada en la gráfica como el área bajo la curva.

Trabajo elástico: T elas. = 1/2 eV.

El tipo de ruptura también habla sobre el tipo de material ensayado: una rotura recta, sin apenas deformación denota que estamos ante un material frágil. Una rotura deformada o con la característica copa-cono es propio de un material dúctil.

Un grano fino y brillante es característico de un material frágil. Por el contrario, un grano menos fino y mate es mas dúctil que frágil.

Resultados.

Probeta (temple + revenido).

o Diámetro inicial: 10mm

o Longitud de calibración: 50mm

o Diámetro en la rotura: 9,8 mm

o Alargamiento en rotura: 5,2 mm

o Carga de rotura: 97,8 KN

o Tensión unitaria de rotura: 1245,22 N/mm2

o Tensión real de rotura: 1296,57 N/mm2

o Alargamiento de rotura en %: 10,4%

o Estricción de rotura en %: 3,94%

o Límite elástico (convencional): 97 KN

o Límite de proporcionalidad: aprox. 97 KN

o Límite de fluencia (superior): 8,8 KN (*)

o Límite de fluencia (inferior): --------

o Trabajo elástico de deformación: 263,17 J

(*) esta probeta no se comportó bien en el ensayo, ya que se rompió antes de lo previsto y sin apenas deformación. Esto hace que los datos no sean del todo correctos.

Probeta recocida.

o Diámetro inicial: 10 mm

o Longitud de calibración: 50 mm

o Alargamiento en rotura: 14,7 mm

o Diámetro en la rotura: 7,3 mm

o Carga de rotura: 30,76 KN

o Tensión unitaria de rotura: 391,64 N/mm2

o Tensión real de rotura: 734,93 N/mm2

o Alargamiento de rotura en %: 29,4%

o Estricción de rotura en %: 46,7%

o Límite elástico (convencional): 42,48 KN

o Límite de proporcionalidad: aprox. 40 KN

o Límite de fluencia (superior): 33,12 KN

o Límite de fluencia (inferior): --------

o Trabajo elástico de deformación: 1028,541 J

ENSAYO DE COMPRESIÓN.

Principio del método. Diferencias respecto al ensayo de tracción. Probetas utilizadas.

El ensayo de compresión estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión, progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir al rotura o aplastamiento, según la clase de material. Se efectúa sobre probetas cilíndricas, en los metales, y en cúbicas en los materiales no metálicos. En este ensayo las utilizaremos cilíndricas. Han de cumplir que la longitud inicial (lo) sea igual al diámetro inicial (do). En las mordazas se originan fuerzas de rozamiento, por lo que la relación que se ha de cumplir en los ensayos muy minuciosos es que lo=2,5-3do. También han de cumplir que "So/lo=0.9 o 1.

El ensayo de compresión es poco frecuente; por lo general, se someten a él los materiales que prácticamente trabajan sólo a este esfuerzo, tales como fundiciones, metales para cojinetes, piedras, hormigón, etc.

Diferencias en la rotura a compresión de un material frágil (fundición) y de un material dúctil (aluminio).

En un material dúctil, la probeta se aplasta entera, adquiriendo forma de tonel inicialmente, sin aparecer grietas. Sin embargo, en el ensayo comprobamos que el aluminio presentaba un comportamiento mixto, y que aparecían conos de deformación y grietas a 45º que no se desprendieron. En cambio el acero de bajo contenido en carbono F114 si que se aplastó completamente, sin aparición de grietas.

La fundición si que presento un comportamiento frágil, con aparición de grietas a 45º. La probeta se rompe al despenderse los conos (zonas de deformación impedida)

ENSAYO DE RESILIENCIA

Objetivos y características fundamentales del ensayo.

Se empezó a hacer este ensayo porque se observó que materiales que aguantaban bien en el laboratorio, no lo hacían luego en el uso real. Esto es porque en servicio, los materiales no están sometidos solo a un tipo de carga, sino a varias simultáneas. Las cargas hacen que dentro del material aparezcan tensiones. El principal objetivo del ensayo es evaluar la resistencia del material frente a impactos. También sirve para poner de manifiesto la sensibilidad de los metales a las entallas. En el choque, en las proximidades de la entalla se obtiene una concentración máxima de tensiones, que originan triaxialidad. La entalla en la probeta supone, pues, una mayor exigencia al material, siendo indispensable allí donde además de la tenacidad, se requiere una elevada resistencia a la rotura frágil.

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina. La probeta rompe de un solo golpe.

Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energía disipada al golpear.

Principales parámetros que influyen en el ensayo.

El resultado que arroja, expresado en Julios, varia en gran medida de la temperatura y de la velocidad. A menor temperatura y mayor velocidad, la rotura se produce antes.

También influyen características propias del material. A menor tamaña de grano, mayor resistencia al cizallamiento.

Tipos más importantes de probetas utilizadas en los ensayos.

Las probetas utilizadas son diferentes dependiendo del tipo de ensayo, y en cualquier caso están normalizadas.

En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces.

En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta.

Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil".

Resultados: ensayo Izod.

Proceso operativo del ensayo.

Las probetas se colocan empotradas por un extremo y el golpe lo recibe la cara entallada a una distancia de ésta de 22 mm. La entalla tiene que quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujeción. Con una probeta se hacen tres ensayos sucesivos y se toma el promedio de ellos.

Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material.

En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas están separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta. En el ensayo se utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un F112 laminado en caliente.

Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Análisis de fractura.

El acero F114 absorbió 6,5 , 6, 75 y 7 Kg/m2 El valor medio es 6,75 Kg/m2

Resiliencia: = T/So

Kg/m2 x 9,8= J.

= 826875 J/ m2

Presenta deformación previa y grano brillante. Rotura algo frágil: 70%frágil, 30% dúctil.

Resultados: ensayo Charpy.

Proceso operativo del ensayo.

Utiliza un martillo de péndulo como el arriba descrito. Se coloca al probeta horizontalmente, de forma que sea golpeada por el martillo en la cara opuesta a la entalla, precisamente en el momento en que el martillo se encuentre en el punto mas bajo de su trayectoria (la que se toma como referencia para medir la diferencia de alturas). Parte de la energia se ha empleado en romper la probeta, por lo tanto el martillo se elevará hasta una altura menor. Por lo general el trabajo absorbido nos lo da directamente el aparato.

Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material.

En el Charpy la probeta es de sección cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces. En el ensayo se utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un F112 laminado en caliente.

Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Análisis de la fractura.

El acero F114 absorbió 7,5 Kg/m2

Resiliencia: = T/So

Kg/m2 x 9,8= J.

= 918750 J/ m2

La fractura es la de un material dotado de ductilidad.

El acero F112 absorbió 18 Kg/ m2

= 2205000J/ m2

La fractura es la de un material mas dúctil que el anterior

Física de semiconductores

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Saltar a navegación, búsqueda

La Física de semiconductores es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores, bajo diversas condiciones. Sin embargo gran parte de los semiconductores son estudiados en Física del estado sólido.

Contenido

[ocultar]

1 Primeras observaciones 2 Conducción eléctrica

o 2.1 Portadores de cargas 3 Tipos de Semiconductores 4 Contaminación o dopaje

[editar] Primeras observaciones

Michael Faraday descubrió que el sulfuro de plata tiene un coeficiente negativo de resistencia.

En 1839 A. E. Becquerel observó un fotovoltaje al alumbrar un electrodo de un electrolito.

W. Smith, en 1873, advirtió que la resistencia del selenio disminuye al iluminarlo.

En 1874, F. Braun descubrió que la resistencia de los contactos entre metales y piritas de galena depende de la tensión aplicada sobre ellos; A. Schuster observó algo similar en superficies pulidas y no pulidas en cables de cobre.

En 1876, W. G. Adams y R. E. Day construyen la primera fotocélula, y C. E. Fritts presenta el primer rectificador con selenio.

En la década de 1930, E. H. Hall descubre que la cantidad de portadores de carga eléctrica en los semiconductores es mucho menor que en los metales, aunque a diferencia de éstos, aumentan rápidamente con la temperatura, y también que en los semiconductores tienen mucha mayor movilidad. También observó que en algunos casos los portadores eran negativos y en otros positivos.

[editar] Conducción eléctrica

Debido a que la banda que efectivamente conduce es la que está casi vacía o casi llena, la poca densidad de los portadores de carga en el seno del cristal hace que se comporten como un gas clásico o maxweliano.

[editar] Portadores de cargas

En un cristal hay dos clases de portadores de carga: electrones y huecos. Si bien estos últimos son ficticios, ya que resultan de un estado vacante en la banda de valencia, esta condición no invalida los modelos. Sin entrar en detalles, un semiconductor presenta dos tipos de corriente eléctrica:

Corriente de arrastre (o deriva): debida a un campo eléctrico. Corriente de difusión: debida a la diferencia de concentración de

portadores.

[editar] Tipos de Semiconductores

Una de las propiedades más importantes de los semiconductores es la cantidad de portadores como función de la temperatura. El modelo de las 2 corrientes es el usado para describir los portadores, donde los electrones exitados son los que conducen cargas negativas y los huecos transportan carga positiva. Así que las cantidades importantes a determinar son la cantidad de portadores en la banda de conducción ( nc ) y la cantidad de portadores en la banda de valencia ( pv ).

Dependiendo de la relación entre la cantidad de portadores en cada banda podremos clasificar a los semiconductores. Así es como si la cantidad de

portadores (huecos) en la banda de valencia es igual a la cantidad de portadores de la banda de conducción (electrones) tendremos lo que se llama un semiconductor intrínseco (nc = pv). Si, en cambio, la relación cambia se dice que es un semiconductor extrínseco.

El caso intrínseco se da en cristales puros, donde la densidad de carga es despreciable. Las bandas de conducción solo pueden ser ocupadas por electrones que abandonaron la banda de valencia, dejando una vacancia, o sea un hueco. De esta manera la cantidad de cada tipo de portador esta siempre balanceada.

El caso extrinseco, por el contrario, tiene exceso ya sea de electrones o huecos. Esto se debe que el cristal puro se encuentra "contaminado" con un átomo de otro tipo que puede agregar un donor (electron) o un aceptor (hueco), esto pasa cuando ese átomo contaminante tiene una cantidad distinta de electrones en la capa de valencia a los de la red pura.

[editar] Contaminación o dopaje

Los semiconductores en sí no presentan propiedades prácticas, por esto se los contamina para darles alguna propiedad especial, como alterar la probabilidad de ocupación de las bandas de energía, crear centros de recombinación, y otros.

Por ejemplo, en un cristal de silicio o de germanio, dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb); al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes. Si consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la

energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras. Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo, dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir: :n > ni = pi > p, tal que: n·p = ni² Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

En cambio si se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In), las impurezas aportan una vacante, por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0,01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios. Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:

Energía de ionización para impurezas en el silicio

Átomo

Fósforo 0.044 D

Astato 0.049 D

Antimonio 0.039 D

Bismuto 0.067 D

Boro 0.045 A

Aluminio 0.057 A

Galio 0.065 A

Indio 0.16 A

Talio 0.26 A

Zinc0.55 A

0.31 A

Cobre0.49 A

0.24 A

Oro0.54 A

0.35 D

Hierro0.55 D

0.40 D

Mn 0.53 D

Litio 0.033 D

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_de_semiconductores"

Categoría: Física del estado sólido