Compósitos-Semicondutores

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Compósitos
Em geral, compósito é qualquer material multifásico que exiba uma proporção significativa dos materiais que o compõem de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedade (princípio da ação combinada).
Muitos os materiais compósitos são compostos por apenas duas fases; uma é chamada de matriz, que é contínua e envolve a outra fase chamada de fase dispersa.
CLASSIFICAÇÃO DOS COMPÓSITOS
Reforçados com partículas: a fase dispersa tem eixos iguais, isto é, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as direções.
Reforçados com fibras: a fase dispersa tem a geometria de uma fibra, isto é, uma grande razão entre o comprimento e o diâmetro.
Estruturais: são combinações de compósitos e materiais homogêneos.
COMPÓSITOS REFORÇADOS POR PARTÍCULAS
Para a maioria desses compósitos, a fase particulada é mais dura e mais rígida do que a matriz. Enquanto a matriz suporta a maior parte de uma carga que é aplicada, as pequenas partículas dispersas evitam ou dificultam o movimento de discordâncias. Desta forma, a deformação plástica é restringida de modo tal que o limite de escoamento e o limite de resistência a tração, bem como a dureza são melhorados.
COMPÓSITOS COM PARTÍCULAS GRANDES
Alguns materiais poliméricos aos quais foram adicionados enchimentos são, na realidade, compósitos com partículas grandes. Os enchimentos modificam ou melhoram as propriedades do material e/ou substituem o volume do polímero por um material mais barato, o enchimento. Outro exemplo é o concreto, que é composto por cimento (matriz), e areia e brita (particulados).
As propriedades mecânicas são melhoradas com o aumento do teor do material particulado.
Regra de Misturas
Ec(u) = EmVm + EpVp (Limite superior)
Ec(l) = EmEp / (VmEp+VpEm) (Limite inferior)
Onde E é o módulo da elasticidade e V é a fração volumétrica, enquanto os índices c, m e p representam as fases compósito, matriz e particulada.
Exemplos:
Cermetos (Cerâmico/Metal)
O mais comum é o carbeto cimentado, composto por partículas extremamente duras de uma cerâmica refrataria a base de carbeto, envolvidas por uma matriz de um metal, tal como o cobalto ou níquel. São largamente utilizados como ferramentas de corte para aços endurecidos. As duras partículas de carbeto proporcionam a superfície de corte, porém sendo extremamente frágeis, elas não são capazes de suportar por si só as tensões do corte. A tenacidade é aumentada pela sua inclusão na matriz metálica dúctil, a qual isola as partículas de carbeto uma das outras, dessa forma prevenindo a propagação de trincas de partícula para partícula.
Polímero/Metal
O negro do fumo consiste em partículas muito pequenas e essencialmente esféricas de carbono que quando adicionadas à borracha vulcanizada, esse material extremamente barato melhora o limite de resistência à tração, a tenacidade, e a resistência a ruptura e à abrasão. Os pneus de automóveis contêm aproximadamente 15 e 30%vol de negro de fumo.
Concreto
É composto por materiais cerâmicos (cimento, areia, cascalho e água). As partículas de areia preenchem os espaços vazios deixados pelo cascalho. O cimento é mais caro que a areia e o cascalho
Como a maioria das cerâmicas é relativamente fraco e extremante frágil (baixo limite de resistência a tração). A água pode penetrar nos interior dos poros externos do concreto, o que por sua vez pode causar trincamentos severos em condições de clima frio. Sua resistência pode ser aumentada através de um reforço adicional :
Concreto Pretendido (pre-stressed)
Composto por concreto e barras de ferro/aço que são mantidas sob tensão trativa até o concreto endurecer. Após a solidificação a tração é liberada colocando o concreto sob tensão compressiva. Desta forma a tração mínima para fraturar a peça será muito maior, pois será necessário primeiro superar a tensão residual.
Concreto Armado
Composto por concreto e barras de ferro/aço que melhoram a resposta mecânica do material. Aço é adequado pois possui um coeficiente de dilatação aproximadamente igual ao do concreto, não é corroído nesse ambiente e forma boa ligação com o concreto.
Pos-tracionamento: é a técnica na qual as tensões são aplicadas ao concreto após seu endurecimento.
COMPÓSITOS REFORÇADOS POR DISPERÇÃO
Os metais e suas ligas podem ter sua resistência aumentada e ser endurecidos através da dispersão uniforme de uma certa percentagem volumétrica de partículas finas de um material inerte e muito duro. A fase dispersa pode ser metálica ou não-metálica, geralmente são óxidos. O aumento da resistência é mantido mesmo à temperaturas elevadas e por períodos prolongados, pois as partículas dispersas são escolhidas de modo tal a não serem reativas com a matriz.
COMPÓSITOS REFORÇADOS POR FIBRAS
São aqueles cuja fase dispersa encontra-se na forma de fibra. Tecnologicamente são os mais importantes. Possuem resistência e/ou rigidez alta em relação ao seu peso. 
Resistencia especifica: razões do limite de resistência à tração em relação à densidade relativa.
Módulo específico: módulo de elasticidade em relação à densidade relativa.
COMPÓSITOS COM FIBRAS CONTÍNUAS E ALINHADAS
FASE FIBRA: é composta por materiais policristalinos os amorfos que possuem diâmetros muitos pequenos, geralmente são polímeros ou cerâmicas. Possui modulo de elasticidade muito maior que o da matriz.
FASE MATRIZ: é feita a partir de metais, polímeros ou cerâmicas. Em geral é dúctil. No caso de compostos reforçados por fibras, a fase matriz é responsável por ligar as fibras e por atuar como o meio de transmissão e distribuição de uma tensão externa aplicada às fibras. Também é responsável por proteger as fibras individuais contra danos superficiais prevenindo também a propagação de trincas frágeis de uma fibra para a outra(é a matriz quem separa as fibras).
Comportamento tensão-deformação em Tração – Carregamento Longitudinal
Suas propriedades são altamente anisotrópicas, isto é, dependem da direção na qual elas são medidas. Vamos considerar o comportamento tensão-deformação no canso em que a tensão é aplicada ao longo da direção de alinhamento, isto é, tensão longitudinal.
	
	A inicio da falha do compósito começa a medida que as fibras passam a se fraturar indo o que correspondente a um deformação de aproximada eƒ*(coeficiente de deformação da fibra no momento da fratura)
Comportamento Elástico – Carregamento Longitudinal
Em primeiro lugar, admite-se que a ligação interfacial fibra-matriz é muito boa, de modo tal que a deformação tanto da matriz como das fibras é a mesma. Desta forma:
Fc(carga total suportada pelo compósito) = Fm(carga suportada pela matriz) + Fƒ(Carga suportada pela fibra)
Sabendo que F = σ A
σcAc = σmAm + σƒAƒ
σc = σm(Am/Ac) + σƒ(Aƒ/Ac)
Se os comprimentos do compósito (matriz e fibras) forem todos iguais, então:
σc = σmVm + σƒVƒ
E por fim, como se trata de uma isodeformação:
σc/ϵ = (σm/ϵm)Vm + (σƒ/ϵƒ)Vƒ
Comportamento Elástico – Carregamento transversal
A carga é aplica segundo um ângulo de 90° em relação a direção do alinhamento de fibras. Para esta situação:
σc = σm = σƒ = σ (estado de isotensão)
A deformação da totalidade do compósito é
ϵc = ϵmVm + ϵƒVƒ
Sendo ϵ = σ/E
σ/Ec = (σ/Em)Vm + (σ/Eƒ)Vƒ
Por fim
Ec= EmEƒ/(VmEƒ + VƒEm)
EXEMPLOS DE COMPÓSITOS REFORÇADOS POR FIBRAS
COMPÓSITOS COM MATRIZ POLÍMERO (PMC)
São os mais usados em vista de suas propriedades a temperaturas ambientes, a sua facilidade de fabricação e de seu custo.
REFORÇADOS COM FIBRA DE VIDRO
Vantagens:
É facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência; é um material amplamente disponível e sua produção é barata; Como fibra é relativamente forte e no interior de uma matriz de plástico possui resistência específica muito alta, além de possuir um forte inercia química quando associado a uma matriz de plástico.
Desvantagens:
Não são muito rígidos e se deterioram a temperaturas muito elevadas.
REFORÇADOS COM FIBRA DE CARBONO
Vantagens
Maiores módulos específicos e maiores resistências específicas; Resistem a altas temperaturas; à temperatura ambiente nãosão afetados pela umidade; Suas propriedades podem ser moldadas; São relativamente baratos.
Desvantagens
Em temperaturas muito elevadas ocorre a oxidação do carbono.
REFORÇADOS COM FIBRAS ARAMIDAS
Vantagens
Possuem maiores módulo de tração e resistência à tração longitudinal; São resistentes à combustão e estáveis à temperaturas relativamente elevadas.
Desvantagens
Quimicamente, são suscetíveis à degradação por ácidos e bases.
COMPÓSITOS COM MATRIZ METÁLICA (MMC)
A matriz é um metal dúctil. Podem ser utilizados em temperaturas de serviços altas. Além disso, o reforço pode melhorar a rigidez específica, a resistência específica, a resistência á abrasão, a resistência à fluência, a condutividade térmica e a estabilidade dimensional. São mais caros do que os compósitos com matriz de polímero, pois não são inflamáveis e possuem maior resistência à degradação por compostos orgânicos. Exemplos: motores de automóveis.
COMPÓSITOS COM MATRIZ CERÂMICA (CMC)
As cerâmicas são frágeis, porém são inerentemente resilentes à oxidação e à deterioração em temperaturas elevadas.
Porém sua tenacidade à fratura tem sido melhorada pelo desenvolvimento de CMC
(Aumento da tenacidade por transformação).
COMPÓSITOS CARBONO (MATRIZ) – CARBONO (FIBRAS)
São relativamente novos e caros e, portanto não são muito utilizados ainda. Possuem altos módulos de tração, limites de resistência à tração que são mantidos até temperaturas superiores a 200°C, resistência à fluência e valores de tenacidade à fratura relativamente altos. Além de possuírem baixo coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica relativamente alta. Exemplo de aplicação: motores de foguetes.
COMPÓSITOS HÍBRIDOS
É obtido pelo uso de dois ou mais tipos de fibras diferentes no interior de uma única matriz. Os híbridos possuem a melhor combinação global de propriedades do que os compósitos que contém um único tipo de fibra. O híbrido vidro-carbono é mais forte e mais resistente, possui maior resistência ao impacto e pode ser produzido à menor custo. Exemplos de aplicação: componentes estruturais de transportes terrestres, aquáticos e aéreos, artigos esportivos e componentes ortopédicos.
COMPÓSITOS ESTRUTURAIS
É composto tanto por materiais homogêneos como por materiais compósitos, cujas propriedades não dependem somente dos materiais utilizados, como também da geometria do projeto.
COMPÓSITOS LAMINARES
É composto por folhas ou painéis bidimensionais que possuem uma direção preferencial de alta resistência (exemplo: madeira). As camadas são empilhas e cimentadas umas as outras, de modo tal que a orientação da direção de alta resistência varia de acordo com cada camada sucessiva.
Um compósito laminar possui uma resistência relativamente alta em varias direções no plano bidimensional, porém em uma direção especifica, possuem uma resistência relativamente menor, do que aquela que possuiria se todas as fibras estivessem orientadas na mesma direção (exemplo: esqui moderno, prancha de surf).
PAINÉIS EM SANDWICHE
Consistem em duas folhas externas mais resistentes, ou faces, que se encontram separadas por uma camada de material menos denso, ou recheio, que por sua vez possui menor rigidez e resistência. O recheio possui duas funções: 1)separar as faces e resistir a deformações perpendiculares ao plano da face; 2)proporcionar certo grau de rigidez contra o cisalhamento ao longo dos planos que são perpendiculares às fases.
Exemplos de aplicação: pisos, paredes de prédios, aeronaves(asas, fuselagem, revestimento).
Semicondutores
ESTRUTURA DA BANDA DE ENERGIA
O número de elétrons disponível para a condução elétrica em um material particular está relacionado ao arranjo dos estados ou níveis eletrônicos em relação á energia, e então à maneira segundo a qual esses estados são ocupados pelos elétrons.
Os elétrons preenchem os orbitais dos átomos isolados de acordo com o Principio de exclusão de Pauli. Em distâncias de separação relativamente grandes, cada átomo é independente de todos os demais, e terá níveis de energia atômica e a configuração eletrônica que teria se estivesse isolado. Contudo, a medida que esses átomos de aproximam, os outros elétrons sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes ou são perturbados por eles. Essa influência é tal que cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados eletrônicos proximamente espaçados no sólido, para formar o que é conhecido por banda de energia eletrônica.
No espaçamento em condições de equilíbrio, a formação de bandas pode não ocorrer para subcamadas eletrônicas mais próximas ao núcleo (mais estáveis).
As propriedades elétricas de um sólido são uma consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto é, do arranjo das bandas eletrônicas mais externas de maneira segundo a qual elas estão preenchidas com elétrons.
A separação entre a banda de valência e a banda de condução é chamada de GAP.
Quatro tipos de bandas diferentes são possiveis a temperatura de 0K:
Material Condutor: uma banda mais externa está apenas parcialmente preenchida com elétrons. A energia correspondente ao estado de energia mais alto e a 0K é chamada de energia de Fermi (Ef).
Material Condutor: existe uma superposição de uma banda vazia com uma banda preenchida.
Como os metais possuem estados vazios logo acima da Ef, não é necessário fornecer muita energia para excitar um elétron a subir um nível.
As bandas (c) e (d) são semelhantes! Uma banda (banda de valência) que está completamente preenchida por elétrons está separada de uma banda de condução vazia; e um espaçamento entre bandas de energia reside entre elas.
Material Isolante: o espaço entre as bandas é relativamente amplo.
Material Semicondutor: o espaçamento entre as bandas é estreito.
Semicondutores e isolantes não possuem uma banda vazia logo acima de uma banda preenchida, logo para excitar um elétron a subir para um nível mais energético é necessário fornecer energia a este elétron, esta energia geralmente é dada na forma luz o calor.
CONDUÇÃO EM TERMOS DE BANDAS E MODELOS DE LIGAÇÃO ATÔMICAS
Apenas os elétrons que possuem energias maiores que a energia de Fermi podem sentir a ação e serem acelerados na presença de um campo elétrico, são os chamados elétrons livres. Outra entidade eletrônica carregada, conhecida por buraco, é encontrada em semicondutores. Os buracos possuem energias menores do que Ef e também participam na condução eletrônica. A condutividade elétrica é uma função direta do número de elétrons livre e de buracos.
Para materiais semicondutores a ligação é predominante covalente e, portanto relativamente fraca, o que significa que os elétrons não estão fortemente ligados aos átomos e podem ser mais facilmente movidos por excitação térmica do que aqueles em isolantes.
MOBILIDADE ELETRÔNICA
Quando um campo elétrico é aplicado, uma força é colocada para atuar sobre os elétrons livres; como consequência todos eles experimentam uma aceleração em uma direção oposta àquela do campo em virtude de suas cargas negativas. Todos os elétrons livres devem acelerar enquanto o campo elétrico é aplicado, o que deve dar origem a uma corrente elétrica que aumenta continuamente ao longo do tempo. Contudo, sabemos que esta corrente elétrica atinge um valor constante no instante em que o campo é aplicado devido à presença de forças de atrito.
Essas forças de atrito resultam do emparelhamento dos elétrons pelas imperfeições do retículo cristalino, incluindo átomos de impurezas, lacunas, átomos intersticiais, discordâncias, e mesmo as vibrações térmicas dos átomos.
SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA
Semicondutores intrínsecos são aqueles em que o comportamento elétrico está baseado na estrutura eletrônica inerente ao material puro.
São caracterizados pela estrutura da banda (d) da figura. Os dois semicondutores elementares são o Silício (10-8e livres/átomo ou 1013e/cm3) e o Germânio (10-12e livres/átomo ou 1010e/cm3). Também podem ser elementos dos Grupos IIIA e VA, e Grupos IIB e VIA.
O CONCEITO DE UM BURACO
Nos semicondutores, para cada elétron excitado paraa banda de condução é deixado para trás um elétron que fica faltando em uma das ligações covalente, buraco. Considere que um buraco possua uma carga com a mesma magnitude daquela apresentada por um elétron porem com sinal oposto. Desta forma, na presença de um campo elétrico, os elétrons excitados e os buracos se movem em direções opostas.
CONDUTIVIDADE INTRÍNSECA
Uma vez que existem dois portadores de cargas em um semicondutor intrínseco (elétrons livres e buracos), podemos escrever sua condutividade como sendo:
σ = n q μе + p q μb
Onde p representa o número de buracos por metro cubico e μb é a mobilidade do buraco. E μb é sempre menor que μе.(mobilidade do elétron), e q é a carga do elétron.
O SÍLICIO(PURO) INTRÍNSICO
Quando solido os átomos do silício se ligam formando uma rede cristalina, a este sólido damos o nome de silício intrínseco. Os átomos de valência são compartilhados com os átomos vizinhos resultando em uma estrutura bastante estável, com elétrons fortemente ligados(poucos elétrons livres) e a temperatura ambiente se uma tensão é aplicada um pequena corrente flui.
SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Semicondutores extrínsecos são aqueles cujas características elétricas são ditadas pelos átomos de impurezas.
Virtualmente todos os semicondutores comerciais são extrínsecos. Uma concentração de impurezas de 1 átomo a cada 1012 átomos é o suficiente para tornar o silício extrínseco à temperatura ambiente.
	SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO TIPO N
	Um átomo de silício possui 4 elétrons de valência. Agora suponha um átomo de impureza com 5 elétrons de valência seja adicionado como uma impureza substitucional (ex.: P). Apenas 4 elétrons de valência desse átomo de P vai poder participar das ligações, pois existem apenas 4 ligações possui. O átomo adicional fica preso à região ao redor do P i por uma força eletrostática muito fraca (energia de lig. muito pequena). Dessa forma ele é removido com facilidade de P e se torna um elétron livre ou de condução.
	
	Para cada um dos elétrons que estão fracamente ligados, existe um único nível (estado) de energia, localizado no interior da zona proibida do espaçamento entre bandas, imediatamente abaixo da parte inferior da banda de condução. A energia de ligação de um elétron corresponde à energia exigida para excitar o elétron para um estado dentro da banda de condução.
	
	Cada evento de excitação sempre supre ou doa um único elétron para a banda de condução; uma impureza desse tipo é apropriadamente chamada de doador. Uma vez que cada elétron doador é excitado de um nível de impureza, nenhum buraco correspondente é criado na banda de valência.
	
À temperatura ambiente a energia térmica disponível é suficiente para excitar grandes números de elétrons dos estados doadores. Dessa forma o número de elétrons na banda de condução excede e muito o número de buracos na banda de valência.
σ ≈ n|е|μе
Os elétrons são os portadores majoritários de carga em virtude da sua densidade ou concentração; os buracos por outro lado são portadores minoritários de carga. O nível de Fermi é deslocado para cima no espaçamento entre bandas, sendo sua posição uma função da temperatura e da concentração de doadores.
	SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA DO TIPO P
	Um efeito oposto é produzido pela adição de um átomo de Boro (impureza substitucional trivalente). Um das ligações covalente ao redor de B fica deficiente de elétrons; tal deficiência pode ser vista como um buraco que fica fracamente ligado à B. Considera-se que um buraco em movimento está em um estado excitado e participa do processo de condução de uma maneira análoga à de elétron doador excitado.
	
	Cada átomo de impureza desse tipo introduz um nível de energia dentro do espaçamento de bandas, localizado acima, porém muito próximo, da parte superior da banda de valência. 
	
	Imagina-se que um buraco seja criado seja criado na banda de valência pela excitação térmica de um elétron da banda de valência para esse estado eletrônico da impureza. Apenas um portador será produzido, sendo este um buraco na banda de valência; um elétron livre não é criado no nível da impureza ou na banda de condução. Uma impureza desse tipo é chamada de receptor, pois ela é capaz de aceitar um elétron da banda de valência, deixando para trás um buraco. O nível de energia dentro do espaçamento entre bandas, que é introduzido por esse tipo de impurezas, é chamado de estado receptor.
	
Para esse tipo de condução extrínseca, os buracos estão presentes em concentrações muito mais altas do que os elétrons, e sob estas circunstancias, um material considerado do tipo p é aquele cujas partículas carregadas positivamente são principais responsáveis pela condução elétrica. Os buracos são os portadores principais, e os eletrons estão presentes em concentrações minoritárias.
σ ≈ p|е|μb
Para semicondutores do tipo p, o nível de Fermi está localizado dentro do espaçamento entre as bandas.
DOPAGEM
É o processo de formação de ligas em materiais semicondutores no qual concentrações controladas de doadores e receptores específicos são adicionas intencionalmente, empregando-se varias técnicas.
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES
Vantagens: baixo consumo de energia, possuem pequenas dimensões, inexistência de um tempo de aquecimento. Exemplos: diodos, transistores, chip.
A JUNÇÃO RETIFICADORA P-N
O retificador, ou diodo, consiste em um dispositivo eletrônico que permite o escoamento da corrente em apenas uma direção (C.A. → C.C.). Antes do uso do retificador semicondutor de junção p-n, essa operação era realizada por uma válvula a vácuo. 
A junção p-n é construída a partir de uma única peça de semicondutor a qual é dopada de tal forma que ela seja do tipo n em um dos seus lados e p do outro.
	
	Se peças de materiais do tipo p e n forem unida suma à outra, tem-se como resultado um retificador ruim, uma vez que a superfície entre as duas seções torna o dispositivo muito ineficiente. Também devem ser usados monocristais de materiais semicondutores em todos os dispositivos, pois fenômenos eletrônicos prejudiciais podem ocorrer nos contornos entre os grãos.
Antes da aplicação de qualquer potencial através da amostra p-n, os elétrons serão os portadores dominantes pela região n e os buracos pela região p.
Quando uma bateria é conectada, ligando o terminal positivo pelo lado p e o terminal negativo pelo lado n obtém-se um fluxo para frente. A polaridade oposta é chamada de fluxo reverso.
Na figura (b) vemos a resposta dos transportadores de carga à aplicação de um potencial com fluxo para frente.
Na medida em que os elétrons e os buracos se encontram uns com os outros na região próxima a junção, eles se recombinam continuamente, aniquilando-se uns aos outros, de acordo com a reação
Elétron + Buraco → Energia
Dessa forma, para esse tipo de fluxo, grande parte dos portadores de carga escoa através do semicondutor em direção à junção, como fica evidenciado por uma corrente considerável e de baixa resistividade.
Para o fluxo reverso, figura (c), tantos os elétrons (portadores majoritários) quanto os buracos se afastam da junção, a junção torna-se então altamente isolante(sem cargas).
JUNÇÃO P-N CARACTERÍSTICA V-I
I = I0 [ eeV/Kt – 1 ]
Com V>0 polarização direta
DISPOSITIVOS BASEADOS NA JUNÇÃO P-N
LEDS
Convertem energia elétrica em luz. Um diodo emissor de luz(LED) é muito parecido com um diodo comum utilizado em circuitos elétricos.
Junção p-n polarizada diretamente injeta elétrons na região tipo p(rica em buracos)
Ocorre a recombinação desses elétrons com os buracos já existentes.
Dependendo do material semicondutor utilizado essa recombinação ira emitir uma energia na forma de luz. Essa quantidade de energia depende do GAP que por sua vez depende do material utilizado e de sua estrutura cristalina. Quanto maior o GAP, maior será a quantidade de energia gerada, logo maior será a frequência e menor o comprimento de onda da luz.
Eg = hf
CÉLULAS SOLARES (FOTOVOLTAICAS)
Convertem energia luminosa em energia elétrica. Os elétrons gerados são impulsionados pelo campo elétricoda junção p-n.