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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL
CAMPUS DE TRÊS LAGOAS – CPTL
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
ALEX CAVALARI
HESTER MARTINS
MARCOS VINICIUS DE CHAGAS PAULINO
YURI HENRIQUE BORGHI DA SILVA
MATERIAIS SEMICONDUTORES E CERÂMICOS
TRÊS LAGOAS
2019
ALEX CAVALARI
HESTER MARTINS
MARCOS VINICIUS DE CHAGAS PAULINO
YURI HENRIQUE BORGHI DA SILVA
MATERIAIS SEMICONDUTORES E CERÂMICOS
Trabalho apresentado a disciplina de Ciência dos materiais I do Curso de Engenharia de Produção da UFMS, campus de Três Lagoas – MS, como requisito parcial de aprovação, sobre a orientação da Prof. Dr. Rubens Ribeiro.
TRÊS LAGOAS
2019
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO	4
2 MATERIAIS SEMICONDUTORES	5
2.1 Dopagem	5
2.2 Semicondutor tipo N e P	6
2.3 Aplicação dos semicondutores	7
3. SILÍCIO	8
4. MATERIAIS CERÂMICOS	8
4.1 Características dos materiais cerâmicos	10
4.2 Classificação dos materiais cerâmicos	10
4.3 Processamento das cerâmicas	10
4.4 Aplicação dos materiais cerâmicos	11
5. CONCLUSÃO	12
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	13
1. INTRODUÇÃO
 	A história do desenvolvimento de um novo material é sempre tortuosa, repleta de idas e voltas, e, por isso mesmo, rica em aprendizado. Semicondutores foi um tipo de material que teve dificuldade de ser aceito, inicialmente, na sua própria existência. No entanto, em um período de mais ou menos 30 anos (1930-1960) ele deu um salto no seu conhecimento técnico e cientíco, tornando-se o material que revolucionou a tecnologia e a própria sociedade. Vamos inicialmente caracterizar o que entendemos por um semicondutor. Como o nome diz, ele caracteriza-se por possuir uma condutividade elétrica intermediária entre os metais e os isolantes. Mas uma característica fundamental dos semicondutores é sua flexibilidade de alterar suas propriedades em função de sua composição ou de uma ação externa. Em particular, a condutividade pode variar em várias ordens de grandeza alterando o grau de dopagem, necessitando para isso pequenas quantidades de dopante. A condutividade, diferente do caso dos metais, aumenta com a temperatura. Podemos ainda aumentar a condutividade dos semicondutores iluminando-os.
2 MATERIAIS SEMICONDUTORES
	São materiais cujas propriedades de condução elétrica ficam entre as de um condutor e as de um isolante. Um material só conduz corrente elétrica se tiver portadores de carga móveis (livres). Os elétrons nesta situação ocupam necessariamente níveis energéticos na banda de condução. Os buracos ocupam necessariamente níveis energéticos na banda de valência. Um dos mais importantes materiais para a fabricação de semicondutores é o silício. Situando-se abaixo do Carbono e acima do Germânio, é um material tetravalente, ou seja, possuem 4 elétrons na camada de valência, criando assim quatro ligações com átomos vizinhos, formando assim ligações covalentes, se apresentando na forma de reticulado. Tais elementos, a deriva, são maus condutores de eletricidade, pois não apresentam muitos elétrons livres à temperatura ambiente; somente após o processo de dopagem, que consiste na implementação de “impurezas” no reticulado, que o material passa a se comportar como semicondutor.
2.1 Dopagem
 	Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem). A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle de correntes elétricas.
 	Quando intrínsecos (puros), possuem em sua composição tipicamente elemento ou combinação de elementos que lhes confiram uma estrutura covalente com todos os orbitais eletrônicos ligantes de todos os átomos sempre completos. Não há por tal portadores de carga elétrica estruturalmente livres quando puros. Quimicamente viáveis há os semicondutores do grupo IV (ver tabela periódica), como os de germânico ou, com vantagens à temperatura ambiente, os de silício; do grupo III-V, com destaque para o arseneto de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arseneto de índio, e certamente outros com estequiometrias mais sofisticadas. Os elementos no composto devem aparecer sempre dispostos em estrutura cristalina sem falhas ou imperfeições, o que justifica o emprego de técnicas de produção elaboradas e especialmente desenvolvidas para garantir tal simetria.
 	A dopagem é feita utilizando-se elementos diferentes dos que integram a rede semicondutora, usualmente os elementos da coluna III (para semicondutores tipo P) ou da coluna V (para semicondutores tipo N). É contudo também comum o emprego de elementos de outras colunas, incluso a coluna IV, tanto para a obtenção de semicondutores do tipo P como do tipo N.
2.2 Semicondutor tipo N e P
 	É caracterizado pela imposição de uma pequena quantidade de, geralmente, Fósforo e Arsênio no cristal de Silício. Tais elementos possuem mais de 4 elétrons na camada de valência, possibilitando assim, que um elétron fique livre, aumentando a condutibilidade do material. Como os elétrons tem sinal negativo, chamamos o semicondutor de “tipo N”.
É caracterizado pela imposição de uma pequena quantidade de Boro, Gálio ou Índio no cristal de Silício, que se encaixam na estrutura formando 3 ligações covalentes (trivalentes); a ligação que fica faltando forma um buraco ou “lacuna”. Quando a corrente passa pelo cristal, os elétrons migram para os vazios das ligações vizinhas, fazendo com que os buracos se movimentem no sentido da corrente. Como os buracos têm carga positiva, chamamos o semicondutor de “tipo P”.
Figura 1 – Dopagem tipo N e P
	
2.3 Aplicação dos semicondutores
 	É utilizado para a produção de ligas metálicas, na preparação de silicones, na indústria cerâmica e, por ser um material semicondutor muito abundante, tem um interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de transistores para chips, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos. Por esta razão é conhecida como Vale do silício a região da California ( EUA ) onde estão concentrados numerosas empresas do setor de eletrônica e informática.
 	Diodos: Um diodo é o tipo mais simples de semicondutor. É um componente eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido. É muito utilizado para retificar sinal alternado, retificação de Sinal de Áudio, detecção de sinal de rádio e etc. A imagem a seguir mostra a representação do diodo usada em eletrônica e o componente real.
 	Diodos emissores de luz (LED) : O led é uma tecnologia recente em questão de iluminação. É econômico e promete ainda vários avanços na área de produção de imagem.
 	Células Solares: células fotovoltaicas, usadas para produzir energia elétrica a partir da radiação solar.
Figura 2 – Células Solares
Circuito Integrado CI: São circuitos eletrônicos em miniatura, compostos principalmente de semicondutores.
Figura 3 – Circuito integrado
3. SILÍCIO
 	O silício é um elemento de número atômico igual a 14 que só é encontrado na natureza na forma combinada. Ele é usado como matéria-prima de vários produtos importantes.
	O silício (Si) é um elemento químico de número atômico igual a 14 e pertence ao 3º período da família VI A ou 16 da tabela periódica, a mesma família do carbono. Inclusive, por essa razão, ele possui estrutura semelhante à do diamante (um dos alótropos naturais do carbono) e suas reações químicas também são semelhantes às do carbono.
 	O silício foi descoberto em 1824, pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius, por meio do aquecimento de tetrafluoreto de silício com potássio.
 	O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (27,7%), ficando atrás somente do oxigênio. Ele é encontrado em praticamente todas as rochas, areias, barros e solos.
 	O silício não é encontrado isolado na natureza e, inclusive, combina-se com o oxigênio para formar a sílica (SiO2 - dióxido de silício). Combina-se também com outros elementos para formarprincipalmente o quartzo – SiO2, os asbestos – H4Mg3Si2O9, a zeolita – Na2(Al2Si3O10).H2O e a mica – K2Al2(Al2Si3O10).H2O.
4. MATERIAIS CERÂMICOS
Os materiais cerâmicos foram “descobertos” na idade média, antes mesmo que os metais. As cerâmicas não podem se encontrar na natureza, elas foram os primeiros materiais criados pelo homem, inicialmente para aplicações domésticas como potes e vasilhas.
Existem dois tipos de cerâmicas, as tradicionais e as modernas. As tradicionais são feitas a partir da mistura de barro ou argila, agua e outras substâncias, com isso podem ser facilmente moldadas e posteriormente endurecidas pela ação do calor. As cerâmicas modernas são materiais com grande aplicação e interesse em engenharia, podendo ser encontrados em produtos como memórias de computadores, dispositivos eletro-ópticos, telas de LCD, entre outras aplicações.
Figura 4 – Evolução da cerâmica em relação ao avanço da tecnologia
Assim, podemos dizer que cerâmicas não são elementos químicos, mas sim compostos químicos ou misturas de materiais inorgânicos preparados com a ação do calor e do resfriamento.
Os materiais cerâmicos tipicamente possuem pontos de fusão elevados, baixos valores de condutividade elétrica e térmica e altas forças de compressão. Além disso, eles geralmente são duros e quebradiços e possuem uma boa estabilidade química e térmica.
 As cerâmicas são compostas por elementos metálicos com não metálicos, essas combinações formam óxidos, nitretos e carbetos. Observa-se que os semicondutores Silício e o Germânio funcionam como metais na composição de algumas cerâmicas.
Figura 5 – Os materiais cerâmicos na tabela periódicas
 4.1 Características dos materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos possuem características variadas de acordo com sua composição química, contudo, algumas características são recorrentes, como sua alta dureza e fragilidade, estrutura cristalina complexa, elevado ponto de fusão, bom isolante térmico e elétrico, matéria prima de custo relativamente baixo e em altas temperaturas sua resistência mecânica tende a aumentar.
As estruturas em cerâmicas dependem do tipo de ligação predominante. Cerâmicas exibem combinação de ligações com caráter iônico e covalente e o tipo de estrutura cristalina depende da quantidade dessas ligações.
4.2 Classificação dos materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos podem ser classificados em cristalinos, amorfos (vidros) e vidro-cerâmicos. Os cristalinos são à base de Silicatos, óxidos, carbonetos e nitretos. Os amorfos (vidros) possuem, em geral, a mesma composição dos cristalinos, diferindo apenas na maneira do seu processamento. Os vidro-cerâmicos são formados inicialmente como os amorfos e tratados termicamente.
Os cerâmicos avançados, são baseados em óxiso, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza.
4.3 Processamento das cerâmicas
O processamento de cerâmicas é realizado através das seguintes etapas: Compactação, preparação de material, moldagem, secagem e sinterização.
Através da compactação de pós ou partículas e aquecimento a temperaturas apropriadas é feito o processamento de cerâmicas. Na preparação de matéria-prima as partículas devem possuir tamanho controlado, para atingir um processamento homogêneo. Sua moldagem podem ser a seco, úmido ou plástica. A secagem do produto conformado é submetida a fim de eliminar água ou/e ligantes. A sinterização é efetuada com a submissão de tratamento térmico para densificação.
4.4 Aplicação dos materiais cerâmicos
Através da evolução de aplicações e com o avanço da tecnologia, possui desde finalidades simplórias até avançadas. Presente em chips para computadores, cartões de crédito, computadores e processadores. Aplicadas em cerâmicas para revestimento em aeronaves, em materiais refratários, na qual são materiais de construção que têm que resistir a altas temperaturas e manter suas propriedades mecânicas, físicas e químicas nas condições de serviço.
	Figura 6 – Exemplos de aplicações de materiais cerâmicos.
5. CONCLUSÃO
 	A humanidade, os materiais e a engenharia evoluíram com o decorrer do tempo e ainda continuam a evoluir. Com isso, podemos observar neste trabalho apresentado a contribuição da ciência dos materiais, as aplicações são muitas e cada vez mais se faz importante para a produção e processamento de materiais em produtos acabados. O conhecimento resultante da estrutura interna, as propriedades, processamento e desempenho de materiais para a engenharia, possui extrema importância, pois o mercado competitivo se encontra em cenário de constante mudança e com o ritmo cada vez mais acelerado, por fim, com as inúmeras inovações tecnológicas e as novas descobertas diárias não se pode deixar de falar dos materiais semicondutores, presentes em praticamente todos os objetos do dia a dia do ser humano, o mesmo é imprescindível para praticamente tudo, desde uma placa para um circuito integrado aos smarts fones mais avançados e com a apresentação do presente trabalho, concluímos que é praticamente impossível viver sem os materiais semicondutores.	
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
KINGERY, W.D., BOWEN, H.K., UHLMANN, D. R., Introduction to Ceramics, 2 edição, New York, Wiley, 1976.
MOULSON, A.J., HERBERT, J.M., Electroceramics, 2 edição, Wiley, 2003.
HARPER, C. A., Handbook of Ceramics, Glasses and Diamonds, McGraw-Hill, 2001.
 Carter, C. Barry; Norton, M. Grant. , Ceramic Materials: Science and Engineering (Locais do Kindle 2-4). Springer New York. Edição do Kindle, 2013.
PSCHEIDT, Ana Caroline. Semicondutores: da descoberta às aplicações! Disponível em: <http://parquedaciencia.blogspot.com/2013/06/semicondutores-da-descoberta-as.html>. Acesso em: 30 ago. 2019.
MARINHO, Helen Silva. Semicondutores. Disponível em: <http://descobrindo-fisica.blogspot.com/2012/09/semicondutores-historia-em-1874-braun-o.html>. Acesso em: 30 ago. 2019.
FOGAÇA, Jennifer. Silício. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/silicio.htm>. Acesso em: 30 ago. 2019.
 TECH, Extreme. O que é silício e por que os microchips são feitos desse material? Disponível em: <https://canaltech.com.br/hardware/o-que-e-silicio-e-por-que-os-microchips-sao-feitos-desse-material/>. Acesso em: 30 ago. 2019.