Conceptes Clau de Propietats Tèrmiques i Electròniques dels Materials

Propietats Tèrmiques i Enllaç

Definicions de Calor

• Capacitat calorífica: Calor necessària per escalfar un material 1ºC.
• Calor específica: Capacitat calorífica per unitat de massa.

Relació entre Enllaç i Propietats

• Material amb enllaç feble: Coeficient de dilatació alt, temperatura de fusió i mòdul de Young baixos.
• Material amb enllaç fort: Propietats oposades (coeficient de dilatació baix, T fusió i mòdul de Young alts).

Solidificació i Tractaments Tèrmics

Fases de la Solidificació

1. Nucleació: Apareixen petits nuclis sòlids de manera aleatòria.
2. Creixement: Si els nuclis superen una mida crítica (r_c), poden continuar creixent.

Els nuclis sòlids més grans que r_c són estables perquè l’energia es redueix amb el creixement del nucli.

Efecte del Refredament

Un refredament lent seguit d’un refredament ràpid manté l’estructura de la perlita grossa.

Assaig Jominy

Una barra d’acer calenta es refreda amb aigua a l’extrem inferior. La velocitat de refredament (tremp) és gran a l’extrem inferior i petita al superior.

Estructura Electrònica i Bandes d'Energia

Principi d’Exclusió de Pauli

No hi pot haver dos electrons en el mateix estat (amb els quatre nombres quàntics iguals).

En un material sòlid, els electrons compartits tenen nivells d’energia lleugerament diferents, que formen una banda d’energia (banda de valència).

Classificació Elèctrica dels Materials

Aïllants

En un sòlid no metàl·lic, els electrons de valència no són lliures, i la banda de valència és plena. La següent banda de conducció lliure és separada per una energia $E_g$ gran. A temperatura ambient, pràcticament no hi ha cap electró a la banda de conducció, i el material és aïllant.

Semiconductors Intrínsecs

En materials com el silici, les bandes són separades per una energia $E_g$ petita. Hi ha alguns electrons a la banda de conducció i alguns forats a la banda de valència. El material és semiconductor.

Conductors (Metalls)

• La conductivitat disminueix amb la temperatura.
• La mobilitat dels electrons disminueix a causa de l’agitació tèrmica de l’estructura cristal·lina.
• Com més defectes tingui l’estructura cristal·lina, més disminueix la conductivitat.
• La resistivitat augmenta amb la temperatura.
• La resistivitat varia amb la composició d’una solució sòlida.

Fenòmens Elèctrics Especials

Termoparells

És un parell de dos fils de materials conductors diferents, soldats pels seus extrems. Si les dues soldadures es mantenen a temperatures diferents, apareix una petita diferència de potencial.

A la temperatura alta hi ha més electrons a la banda de conducció, però en quantitat diferent per als dos materials.

Superconductors

Per a alguns materials, per sota d’una temperatura crítica ($T_C$), la resistivitat disminueix bruscament fins a gairebé zero.

Cada vegada s’aconsegueixen superconductors amb una temperatura de transició més alta.

• Temperatures fins a 77 K són fàcils d’aconseguir amb nitrogen líquid.
• Hi ha una intensitat crítica del corrent a partir de la qual el material deixa de ser superconductor.

Semiconductors Dopats i Dispositius

Semiconductors Dopats

Contenen impureses afegides d’altres materials (dopants) en solució sòlida.

Els dopants tenen un excés d’electrons a l’última capa (tipus n) o un defecte (tipus p) respecte al silici (4 electrons).

Semiconductors Tipus N (Donadors)

S’hi afegeixen àtoms de dopants (impureses donadores) amb 5 electrons a l’última capa, que proporcionen cadascun un electró lliure per a la conducció.

• L’electró extra té un nivell d’energia proper a la banda de conducció.
• Amb poca energia addicional pot saltar i conduir.
• El nivell de Fermi es desplaça cap amunt.

Semiconductors Tipus P (Acceptadors)

S’hi afegeixen àtoms de dopants (impureses acceptadores) amb 3 electrons a l’última capa, que proporcionen cadascun un forat lliure per a la conducció.

• El forat del dopant té un nivell d’energia proper a la banda de valència.
• Amb poca energia addicional es pot omplir, generant un altre forat, i conduir.

Dispositius Electrònics Bàsics

Díode (Unió P-N)

Unió de semiconductors tipus p i n.

• Polarització inversa: Aplicant tensió, els portadors de càrrega s’allunyen de la unió. Hi ha un petit corrent degut als portadors intrínsecs.
• Polarització directa: Els portadors s’apropen a la unió i recombinen. Apareix una diferència de potencial (aprox. 0.7 V).

BJT (Bipolar Junction Transistor)

Té dues unions p-n molt properes.

• Tipus: pnp, npn.
• Regions: Emissor, base, col·lector.
• Funció: És útil com a amplificador.

FET (Field Effect Transistor)

La tensió a la porta crea un camp elèctric al canal que l’eixampla o l’estreny. El corrent és amplificat per aquesta tensió.

• Tipus: Canal n, canal p.
• Regions: Font, porta, drenador.