Transcript
Materiais para Aplicações em Eletrônica PMT 2200 – Ciência dos Materiais
Prof. Dr. Douglas Gouvêa Profa. Dra. Ivette C. Oppenheim
1
Introdução Além das propriedades elétricas dos materiais, muitas outras propriedades são importantes para aplicações em eletrônica. Consideraremos aqui diversos comportamento de materiais:
dispositivos
baseados
no
Semicondutores
Magnéticos Ópticos
2
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
1
Eletrônica: da válvula ao circuito integrado 1907 Surge a eletrônica com a invenção da válvula triodo por De Forest.
Válvula: dispositivo que permite amplificar sinais elétricos por meio do controle da corrente entre seus eletrodos. Primeiras aplicações: rádio, televisão e computadores. 1947 O transistor é descoberto por J.Bardeen, W.Brattain e W.Schokley. Transistor: dispositivo que permite amplificar sinais elétricos por meio do controle da corrente elétrica em materiais semicondutores. Década de 1950 O transistor é aperfeiçoado, sendo seu custo de fabricação cada vez mais baixo. Década de 1960 Miniaturização da eletrônica com o desenvolvimento dos circuitos integrados. Nasce a microeletrônica. Circuito Integrado: inúmeros transistores e diodos interligados por resistores e capacitores fabricados na mesma pastilha de semicondutor. Década de 1970 Surgem os microprocessadores. Década de 1980 até hoje Produção de circuitos integrados e microprocessadores cada vez mais rápidos e com maior número de elementos. Aplicações atuais: computadores, sistemas de comunicação, automação de meios de produção etc.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
3
Dispositivos Eletrônicos Semicondutores
4
Dentre as vantagens dos dispositivos eletrônicos semicondutores mencionamos: pequenas dimensões, baixo consumo de energia, inexistência de um tempo de aquecimento e baixo custo. Os principais materiais semicondutores utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos são o Si e o Ge mas, com menor freqüência, também são utilizados o GaAs e o GaP. O domínio de técnicas sofisticadas de preparação de materiais é essencial para a fabricação de dispositivos eletrônicos.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
2
O Silício e sua Purificação
Para a produção da maioria dos dispositivos eletrônicos é necessária a utilização de semicondutores monocristalinos e de alta pureza. A purificação do silício é feita de duas maneiras: Refino por Zona Crescimento de Cristais A condutividade do Si é extremamente sensível à concentração de dopantes, principalmente do B (tipo p) e do P (tipo n). As concentrações típicas usadas dos dopantes B e P estão entre 1 e 100 ppm. Os dopantes são introduzidos nos materiais utilizando-se implantação iônica ou difusão térmica.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
5
Refinamento por Zona
6
O refino por zona é baseado no conceito de que um soluto pode diminuir a temperatura liquidus. O sólido formado conterá muito menos soluto que o líquido em equilíbrio. A temperatura de uma zona do material é aumentada até alcançar a temperatura de liquidus e então é deslocada ao longo do material. A região em fusão carrega as impurezas.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
3
Crescimento de Cristais
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
7
Dispositivos Semicondutores Intrínsecos
Termistores Sensores de temperatura – a resistência de um semicondutor intrínseco diminui com o aumento da temperatura por causa da excitação térmica dos elétrons da banda de valência para a banda de condução.
Fotoresistores A condutividade elétrica de um material semicondutor também é alterada pela interação com a luz. A absorção de fótons pode levar à excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Utilizado em células solares.
8
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
4
Diodo de Junção
Muitos dispositivos semicondutores têm suas propriedades derivadas do comportamento de uma junção p-n. A transição brusca num material semicondutor de uma região do tipo p para outra do tipo n é chamada de junção p-n.
O diodo é um dispositivo que permite o escoamento da corrente em apenas um sentido. O diodo de junção consiste apenas de uma junção p-n com dois contatos metálicos para entrada e saída de corrente. n
p + + + + + + + + +
-
-
- - - -
+
i≈0 bateria
-
+++ +++ + ++ p
i>0
amperímetro - - - - - - n
+
+
bateria
amperímetro
+ + +
- - - - - n
+ + + p
-
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
9
Transistores
O transistor talvez seja a mais importante descoberta do século XX.
Funções de controle mais usuais dos transistores: (1) Amplificação (capacidade de amplificar sinais elétricos). (2) Chaveamento (capacidade de apresentar dois estados distintos, um onde a corrente passa e o outro onde a corrente é bloqueada).
Na atualidade, os principais tipos de transistores são: (1) Transistor bipolar de junção ou transistor de junção: duas junções p-n fabricadas na mesma pastilha de semicondutor. (2) Transistor de efeito de campo ou MOSFET: duas junções ou dois contatos metal-óxido-semicondutor. MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor.
10
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
5
Transistores de Junção
Amplificação de um sinal elétrico.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
11
Transistores de Efeito de Campo
12
A geração de um campo positivo entre a porta (gate) e o semicondutor tipo n faz com que os buracos sejam direcionados e perdidos por recombinação. A corrente cai sensivelmente entre a fonte (source) e o dreno (drain). O filme de óxido faz com que a corrente entre a porta e o semicondutor tipo n seja muito pequena. Um pequeno campo é capaz de bloquear a passagem de corrente o que faz com que o sinal digital seja amplificado.
Nos transistores modernos, a largura típica da porta é de 0,25 µm.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
6
Circuito Integrado (CI)
A miniaturização da microeletrônica é necessária não só para a economia de espaço e massa, mas principalmente para aumentar a velocidade de processamento do sinal. CI's fabricados em pastilhas semicondutoras são denominados chips. Um chip de área menor que 1 cm x 1 cm é capaz de conter mais de um milhão de componentes. O processo de fabricação de um CI é dividido em várias etapas: • Fabricação do Si monocristalino de alta pureza. • Introdução do P para a formação da região tipo n. • Introdução do B para as regiões fonte (source) e dreno (drain). • Introdução de mais boro para a formação do canal. • Aplicação do metal para a formação dos contatos elétricos.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
13
Circuitos Integrados – passos de fabricação 1)
3)
2)
4)
14
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
7
Circuitos Integrados – passos de fabricação 5)
7)
6)
8)
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
15
Materiais Magnéticos e suas Aplicações
No setor eletro-eletrônico, os materiais magnéticos são suplantados em volume de aplicação apenas pelos semicondutores, tendo ambos os tipos de materiais importância econômica semelhante. Materiais magnéticos duros (imãs permanentes): Alnico 5, Ferrite de Bário, Samário-Cobalto, Neodímio-Ferro-Boro. Aplicações: dispositivos eletromagnéticos (geradores e motores), dispositivos eletroacústicos (alto-falantes, fones de ouvido, microfones etc.), instrumentos de medidas (galvanômetros e balanças) etc.
Materiais magnéticos moles (materiais de alta permeabilidade) Dispositivos de baixa freqüência (geradores, motores, transformadores etc): ferro, aços elétricos, ligas de ferro e níquel ou ligas de ferro e cobalto. Dispositivos de freqüência acima de 10 kHz (transformadores e
indutores de alta freqüência utilizados em equipamentos eletrônicos, dispositivos de microondas usados em telecomunicações e em radar, cabeças de gravação magnética etc): ferrites diversos, tais como os hexagonais
(estrutura BaFeO19), os espinélios (MFe2O4) e as (Y3Fe5O12), que possuem resistividade bastante elevada. 16
granadas
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
8
Alto-Falantes e Motores
Os alto-falantes e os motores simples utilizam materiais magnéticos permanentes. Os materiais devem apresentar alta magnetização remanente e alto campo coercivo para não serem facilmente desmagnetizados.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
17
Gravação e Reprodução de Sons
18
O primeiro registro de som é atribuído a Thomas Edson em 1877. Os primeiros sistemas de registro de sons eram inteiramente mecânicos. O som fazia vibrar um diafragma. A vibração era transferida para uma agulha que marcava uma superfície de um disco recoberto com uma camada de estanho. A reprodução do som era feita no caminho inverso. Mais tarde o som era convertido em sinais elétricos que eram registrados em um disco de polímero. A gravação magnética teve origem na II Grande Guerra e foi transformada em produto comercial logo depois. As grandes vantagens com relação aos discos de vinil eram: tempo de gravação e resistência aos danos mecânicos. Os primeiros sistemas que eram analógicos, evoluíram para sistemas digitais.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
9
Fita - Mídia Particulada
Fitas de áudio são mídias de gravação formadas por pequenas partículas magnéticas imersas em um meio não-magnético. As partículas são freqüentemente de γ - Fe2O3 mas, o CrO2, o Fe e o FeCo são também utilizados. 40 % de partículas em volume na fita. Orientação magnética das partículas realizada durante a fabricação. Propriedades requeridas para a fita: n A magnetização remanente deve ser alta e ≈ 103 Å n o campo coercivo deve ser alto o suficiente. agulhas de γ − Fe2O3 em ligante orgânico
≈ 102 Å
campo magnético local ≈ 25 µm base de Mylar PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
19
Gravação e Reprodução de Sons
20
As informações são registradas na fita variando-se o campo magnético na cabeça de gravação. A reprodução é feita de forma inversa.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
10
Gravação e Reprodução de Sons
O sinal gravado produz pequenas variações do campo magnético na superfície da fita. Quando a fita é passada a uma velocidade constante pela cabeça de leitura ocorre a magnetização do material da cabeça resultando em uma variação da densidade do fluxo magnético e, por conseqüência, uma variação da voltagem na cabeça. A cabeça de gravação deve ser feita de um material que é facilmente magnetizado e desmagnetizado e ter uma pequena perda de energia na forma de calor (materiais magnéticos moles). Os materiais utilizados para as cabeças são geralmente ligas de Fe-Ni com estrutura CFC, com alta pureza, sem a presença de partículas de segunda fase e um mínimo de densidade de discordâncias. Óxidos magnéticos também são utilizados. Apresentam como desvantagem uma baixa magnetização de saturação mas como vantagem uma boa resposta a altas freqüências e alta resistência ao desgaste e a abrasão. PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
21
Gravação e Reprodução de Sons
As informações são gravadas na fita quando esta passa próxima da cabeça de gravação ao mesmo tempo que o campo magnético é variado. o tempo em que a fita passa pela cabeça de gravação é dado por:
t=
22
lg ν
onde: lg é o comprimento do espaço na cabeça de gravação e n é a velocidade da fita.
a máxima freqüência que pode ser registrada é dada por: 1/t para freqüências de 10 kHz e velocidades padrões de 47,6 cm/s a distância deve ser de 5 µm.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
11
Outras Mídias de Gravação Magnética
As mídias das fitas de vídeo são geralmente feitas de um filme contínuo evaporado (mais comum o FeP) em uma fita de polímero. Nos disquetes, as mídias são feitas da mesma maneira que as fitas de áudio, mas as partículas não são orientadas. Nos discos rígidos (HDs), a mídia de gravação consiste de um filme fino (30 - 50 nm) de CoPtCrX (X = B, Ta) depositado sobre uma complexa estrutura de camadas, que por sua vez se encontra sobre um substrato de vidro ou alumínio. Essa estrutura de camadas é especialmente desenhada de modo a que se obtenha para a mídia, a orientação cristalográfica, o tamanho de grão e a distribuição de tamanho de grão desejados. Finalmente, uma fina sobrecamada de carbono e uma camada de lubrificante protegem a mídia da oxidação e de possíveis danos resultantes do eventual contato físico com a cabeça de gravação. PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
23
Discos Rígidos
24
Nos HDs estado da arte, a mídia de gravação é composta por dois filmes finos magnéticos intercalados por um filme não-magnético de rutênio com uma espessura de aproximadamente 0,6 nm. Maior densidade de gravação já obtida (em demostrações de laboratório): 100 Gbit / pol2. Densidade de gravação em HDs modernos: 4 a 6 Gbit / pol2. (Lembre que 1 byte = 8 bits). A cabeça de gravação do HD é composta de um elemento de escrita indutivo (ligas Fe e Ni) e de um elemento de leitura que apresenta magnetoresistividade gigante (GMR). A distância entre a cabeça de gravação e a mídia é da ordem de 100 nm e a velocidade relativa durante operação é de aproximadamente 150 km/h.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
12
Diodo de Emissão Luminosa (LED)
O LED (Light Emitting Diode) é um dispositivo óptico-eletrônico. É utilizado como sinalizador (vermelho e verde principalmente). É um dispositivo de junção e emite luz quando ocorre a recombinação de elétrons e buracos. A energia emitida é muito próxima à energia do gap entre a banda de valência e a banda de condução. Entre os materiais interessantes para essa aplicação está o GaP que apresenta um gap com energia na região do espectro visível e uma mobilidade do elétron cerca de 25 vezes à do buraco.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
25
Célula solar
26
As células solares podem ser utilizadas com carregadores de baterias ou como geradores diretos de energia elétrica. Funcionam como um LED de maneira inversa, transformando a luz recebida, numa determinada energia, em corrente elétrica. Na interface ocorre a recombinação de pares elétrons-buracos que faz com que a interface fique ligeiramente menos positiva do lado p e negativa do lado n. Quando o material é iluminado cada fótons de energia superior ao “gap” leva a formação de um par elétron-buraco. A diferença de gradiente de potencial leva os elétrons para o lado p e os buracos para o lado n e gerando uma corrente elétrica. Silício é o material utilizado para células solares, pois a luz do sol contem fótons com energia maior que 1,1 eV, além de ser barato e facilmente obtido.
PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
13
Outros Dispositivos Ópticos
O princípio de funcionamento do CD se baseia na iluminação com uma luz LASER da superfície de um disco polido e metalizado que apresenta pequenas concavidades. Quando a luz atinge a superfície polida é refletido e vai de encontro a um detector de luz (1). Quando o laser atinge as concavidades a luz é espalhada e não chega no detector (0).
27
O LASER( Light Amplification by Stimulated Emission ) é obtido através da energia emitida durante o processo de recombinação em uma junção p-n de um diodo de GaAs em um dispositivo com geometria adequada e condições de operação controladas.
Os Cristais Líquidos têm aplicação em eletrônica, principalmente para a confecção de mostradores, conhecidos como LCDs (Liquid Crystal Displays): a orientação das moléculas pode ser controlada pela aplicação de um campo elétrico, possibilitando variar a quantidade de luz transmitida ou refletida pelo material. Isto pode ser feito com baixas tensões e com pequeno consumo de energia, dando aos mostradores de LCD grande vantagem em relação a outros tipos. PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP
14
