Materiales

Semiconductor
Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor
que un aislante, pero peor que un metal.
La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente
eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las
propiedades físicas más importantes.
Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes
conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son
muy malos conductores.
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como
aislante. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas
(dopado) o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores
puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a
los de los metales. Los principales semiconductores utilizados en electrónica
son el silicio, el germanio y arseniuro de galio.

Silicio : Si
Descubridor : Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) (Sueco)
Año : 1823
Etimología : del latín silex
· En estado puro tiene propiedades físicas y químicas parecidas a las del
diamante.
· El dióxido de silicio (sílice) [SiO2] se encuentra en la naturaleza en
gran variedad de formas: cuarzo, ágata, jaspe, ónice, esqueletos de
animales marinos.
· Su estructura cristalina le confiere propiedades semiconductoras. En
estado muy puro y con pequeñas trazas de elementos como el boro,
fósforo y arsénico constituye el material básico en la construcción de los
chips de los ordenadores.

Silicio: Átomo, Modelo
de enlace y estructura
crsitalina

Semiconductor: representación bidimensional de la estructura cristalina
Idealmente, a T=0ºK, el semiconductor sería aislante porque todos los e- están formando enlaces.
Pero al crecer la temperatura, algún enlace covalente se puede romper y quedar libre un e-para
moverse en la estructura cristalina.
El hecho de liberarse un e- deja un “hueco” (partícula ficticia positiva) en la estructura
cristalina. De esta forma, dentro del semiconductor encontramos el electrón libre (e-), pero también hay un
segundo tipo de portador: el hueco (h+)

Semiconductor: Acción de un campo eléctrico.
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
Si SSii
Si
Si
Si
SSii
SSii Si
Si
+
SSii Si
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga:
HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura  más portadores de carga  menor resistencia

Semiconductor Intrínseco– Extrínseco.
Semiconductor intrínseco indica un material semiconductor
extremadamente puro que contiene una cantidad
insignificante de átomos de impurezas.
Semiconductor extrínseco, se le han añadido cantidades
controladas de átomos impuros (Dopado) para favorecer la
aparición de electrones (tipo n –átomosde valencia 5: As,
P o Sb ) o de huecos (tipo p - átomos de valencia 3: Al,
B, Ga o In).

Semiconductor Intrínseco– Extrínseco.
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Si SSii Si
Si
SSii
Si
Si
Si
Si
SSii
SSii
SSii
SSii
Si
SSii Si
SSii
Sb
+
Sb: antimonio
Impurezas del grupo V de
la tabla periódica
Es necesaria muy poca
energía para ionizar el
átomo de Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
IImmppuurreezzaass ggrruuppoo VV
300ºK
EElleeccttrroonneess lliibbrreess ÁÁttoommooss ddee iimmppuurreezzaass iioonniizzaaddooss
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son
Electrones libres
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Si SSii SSii
Si
SSii
Si
SSii
SSii
Si
Si
SSii Si
SSii
Al
+ -
Al: aluminio
Impurezas del grupo III de
la tabla periódica
Es necesaria muy poca
energía para ionizar el
átomo de Al
A temperatura ambiente
todos los átomos de
impurezas se encuentran
ionizados
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
300ºK
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
HHuueeccooss lliibbrreess ÁÁttoommooss ddee iimmppuurreezzaass iioonniizzaaddooss
Los portadores mayoritarios de carga en un
semiconductor tipo P son
Huecos. Actúan como portadores de carga
positiva.

Semiconductores. La unión PN: el DIODO.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
- +
-
-
+
+
+ +
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
- +
ZZoonnaa ddee ttrraannssiicciióónn
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga
espacial denominada ‘zona de transición’, que actúa como una barrera para el
paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

Semiconductores. La unión PN: el DIODO.
La unión P-N polarizada inversamente
P + N
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+ +
-
-
-
- +
+
+ +
+
-
-
-
-
+
+
+
+
La zona de transición se
hace más grande.
Con polarización inversa
no hay circulación de
corriente.
La zona de transición se N
hace más pequeña.
La corriente comienza a
circular a partir de un cierto
umbral de tensión directa.
-
-
-
-
La unión P-N polarizada en directa
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+ +
-
-
-
- +
+
+ +
-
-
-
-
+
+
+
+
P +
+
PPP NNN I
DIODO SEMICONDUCTOR
Conclusiones:
Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente.
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de
corriente eléctrica

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.

Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores
con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se
ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de
la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la
aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos
térmicos residuales de la matriz
Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de
obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento
del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la
resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto
en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.
Figura 3. La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas
duras y blandas varía en función del volumen del material reforzante
Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia
inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes
Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto

Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y
la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo,
su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen
diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el
estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así
como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras
reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos
residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.
Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación
matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede
verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.

Métodos de obtención
Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos
según el estado de la matriz durante el proceso:
En estado líquido (fundición, infiltración),
En estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente),
En estado semisólido (compocasting) y
En estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste
último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el
sector electrónico

El término polímero se deriva del griego “poli” Muchos y
“Mero” Unidad. Los polímeros son sustancias orgánicas que
se componen de numerosas unidades denominadas
monómeros que forman grandes cadenas moleculares
(macromoléculas). La mayor parte de los polímeros usados
en ingeniería se basan en los hidrocarburos, que son
moléculas formadas fundamentalmente a partir de átomos de
hidrógeno y carbono dispuestos en formas estructurales.

Algunas características de los polímeros son:
Menos densos que los metales o los cerámicos
Resistentes a las condiciones atmosféricas y otras muchas formas de corrosión
Algunos muestran buena compatibilidad con el tejido humano y esto unido a la buena resistencia a la corrosión los hace buenos candidatos para
implantes
Exhiben excelente resistencia a la conducción de la corriente eléctrica. Esto los hace importantes alternativas en la fabricación de dispositivos
eléctricos y electrónicos.

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