Ciência dos Materiais: Propriedades Importantes de Semicondutores e Materiais Magnéticos, Notas de aula de Mecatrônica

Baixe Ciência dos Materiais: Propriedades Importantes de Semicondutores e Materiais Magnéticos e outras Notas de aula em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! 1 1 Materiais para Aplicações em Eletrônica PMT 2200 – Ciência dos Materiais Prof. Dr. Douglas Gouvêa Profa. Dra. Ivette C. Oppenheim 2 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Introdução
Além das propriedades elétricas dos materiais, muitas outras propriedades são importantes para aplicações em eletrônica.
Consideraremos aqui diversos dispositivos baseados no comportamento de materiais:
Semicondutores
Magnéticos
Ópticos 2 3 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. 4 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Dispositivos Eletrônicos Semicondutores
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. 5 9 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. bateria amperímetro i > 0 p n+ - + + + ++ + - - - - - - - - i ≈ 0 - + p n bateria amperímetro + + + + + + + + + - - - - - - - - - + + + + + + + + + - - - - - - - - - p n - + 10 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. 6 11 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Transistores de Junção
Amplificação de um sinal elétrico. 12 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Transistores de Efeito de Campo
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. 7 13 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. 14 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Circuitos Integrados – passos de fabricação 1) 2) 3) 4) 10 19 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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 n o campo coercivo deve ser alto o suficiente. ≈ 103 Å ≈ 102 Å agulhas de γ − Fe2O3 em ligante orgânico ≈ 25 µm base de Mylar campo magnético local 20 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Gravação e Reprodução de Sons
As informações são registradas na fita variando-se o campo magnético na cabeça de gravação.
A reprodução é feita de forma inversa. 11 21 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. 22 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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: ν = g l t 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. 12 23 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP 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. 24 PMT 2200 Ciência dos Materiais EPUSP Discos Rígidos
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.