ceramicos semiconductores

Índice Introducción----------Introducción--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 ---2

Cerámicos semiconductores-----semiconductores---------------------------------------------------------------------------------2 --2

Cerámicos ferroeléctricos

-ciclo de histéresis ferroeléctrico-----------ferroeléctrico-----------------------------------------------------2 --------------2

-clasificación -clasificación de los cerámicos ferroeléctricos---------------ferroeléctricos-----------------------4 -------4

-propiedades de los cerámicos ferroeléctricos---------------------ferroeléctricos----------------------4 4

-aplicaciones-----------aplicaciones-------------------------------------------------------------------------------------------------------5 ---------------5

Cerámicos piezoeléctricos

-efecto piezoeléctrico-------------piezoeléctrico-----------------------------------------------------------------------------------------6 --6

-funcionamiento---------funcionamiento--------------------------------------------------------------------------------------------------6 ------------6

-clasificación -clasificación de los cerámicos piezoeléctricos------------piezoeléctricos----------------------7 ---------7

-constantes piezoeléctricas-----------piezoeléctricas-----------------------------------------------------------------------8 ---------8

-aplicaciones-----------aplicaciones--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 -9 1

Introducción Los cerámicos semiconductores son los materiales más importantes en el área de electricidad y electrónica, tiene distintos funcionamientos de acuerdo al tipo de cerámico que se esté usando, de los más importantes son los cerámicos piezoeléctricos y los ferroeléctricos, en los cuales ambos tienen características muy distintas, ambos casos tiene distintas aplicaciones en la electrónica, así como la creación de sensores o que funcionen como dieléctricos en ciertas condiciones.

Cerámicos semiconductores Son cerámicos que tienen la capacidad de conducir la corriente eléctrica por su estructura cristalina, los cerámicos semiconductores comúnmente se le agregan otros materiales como Mn, Ni, Fe, Co y Cu. Las combinaciones de soluciones solidas de los óxidos de estos elementos se usan para obtener rangos necesarios de conductividad eléctrica. Suelen encontrarse en termistores que son resistencias sensibles a la temperatura, entre mayor sea la temperatura que percibe mayor será el coeficiente de resistividad.

-Cerámicos ferroeléctricos Un cerámico ferroeléctrico es aquel que muestra un momento dipolar, que esta polarizado de manera espontanea en ausencia de campo eléctrico exterior a este, para poder revertir la dirección de polarización se le puede aplicar un campo eléctrico, para entender el comportamiento y el funcionamiento de la cerámica ferroeléctrica es necesario entender el ciclo de histéresis.

Ciclo de histéresis ferroeléctrico Este ciclo nos muestra el efecto del campo eléctrico sobre la polarización y sobre la alineación de los dipolos, el ciclo de histéresis ferroeléctrico tiene puntos críticos en el cual cada uno explica un comportamiento en ciertas condiciones. 2

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Al aplicar un campo, se puede observar que los dipolos empiezan a alinearse con dicho campo. El campo alinea a todos los dipolos obteniéndose la polarización máxima (también llamada de saturación) en el punto 3. Cuando se retira el campo eléctrico, queda la polarización remanente Pr (punto 4), debido al acoplamiento entre dipolos, el material queda permanentemente polarizado. Cuando aplicamos un campo en dirección opuesta, a la anterior, algunos dipolos permanecen en la misma dirección y sentido mientras que los otros se invierten. Por tanto, en este punto la polarización es nula, este campo aplicado se conoce como campo coercitivo (punto 5). Si seguimos aumentando este campo inverso se producirá una saturación con polarización opuesta (punto 6), igual que el punto 3 pero de forma inversa.

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Clasificación de los cerámicos ferroeléctricos -En

función

de

su Tc,°k

     

sal de rochelle PLZT

               

tipo KDP tipo TGS



sulfato de triglicina seleniato de triglicina     

perovskitas



composición

µC/cm^2 a T,°k 297 0.25 370 123 213 147 111 96 670 322 295 393 32 712 763 >50 890 1470

47 5.3 4.5 5.6

química

278 293 96 180 90

6

80 -

2.8 3.2 26 3 30 23 300 -

293 273 296 4 523 300 720

-en función de su transición 



Transición orden-desorden: está asociada a la ordenación de iones y suele presentarse en los cerámicos con enlace de hidrogeno, en los que el movimiento de los portones esta relacionado con las propiedades ferroeléctricas. Un ejemplo es los tipos KDP y las sales isomorfas donde se observa la sustitución de H por D las cuales casi doblan la temperatura critica. Transición de desplazamiento: está asociada al desplazamiento de una sub-red de iones de un tipo con respecto a otra sub-red, esta transición se da en estructuras parecidas a las perovsquitas

Propiedades de cerámicos ferroeléctricos   

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

La posibilidad de cambiar la dirección de polarización. Es la variación de la polarización espontánea con la temperatura. Permitir que los dipolos cambien de dirección implica que el salto energético entre dos estados dirección a dos debe ser bastante pequeño. aumentando la temperatura cambiarán las estabilidades relativas de tal modo que el material cambiará su estructura a la forma no polar. Por encima de la temperatura de Curie critica, el comportamiento dieléctrico y, en consecuencia, el comportamiento ferroeléctrico se pierde. Tiene la capacidad de tener una polarización neta, una vez retirado el campo eléctrico.

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Aplicaciones -Memorias ferroeléctricas En ausencia de campo eléctrico, un ferroeléctrico posee dos posiciones estables de polarización respecto al eje de polarización, Utilizando esta propiedad pueden fabricarse memorias ferroeléctricas. El ferroeléctrico se puede polarizar mediante pulsos eléctricos y puede guardar la información puesto que la polarización persiste en ausencia de campo eléctrico. La información puede ser leída aplicando una diferencia de potencial a través de la muestra ya que al aplicar un campo eléctrico en la dirección de polarización original no pasará carga por el circuito, mientras que si la diferencia de potencial se opone a la polarización original fluirá carga a través del circuito conforma la polarización cambia de dirección. La escritura del bit se realizará mediante pulsos eléctricos Una matriz de bits se fabrica fácilmente mediante un array de conductores perpendiculares entre sí y en ambas caras del ferroeléctrico, El punto de cruce señala la ubicación del bit con su polarización correspondiente y que no interfiere con el resto de puntos vecinos.

-Convertidores ferroeléctricos de energía La conversión de calor en energía eléctrica puede conseguirse mediante un condensador cargado en el que el valor de la constante dieléctrica del aislante varíe con la temperatura, tal y como ocurre en los ferroeléctricos. la conversión ferroeléctrica de la energía térmica en eléctrica puede realizarse convenientemente con la ayuda de un circuito. en el primer paso del ciclo el condensador se carga hasta el voltaje V1 de la batería con el material ferroeléctrico a al temperaturaT1. El condensador se aísla entonces de la batería y se calienta hasta una temperatura T2. La constante dieléctrica disminuye y, al permanecer la carga del condensador constante, el voltaje en el condensador aumenta. Si C1 es la capacidad a T1y C2 a T2se tendrá que:  = 1

1 

= 1

1 

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-resistencias LDR. -sensores de calor (transistores). -aplicación en la tecnología militar para compuertas lógicas (familia CMOS).

Cerámicos piezoeléctricos Efecto piezoeléctrico Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la tensión mecánica en electricidad, y la electricidad en vibraciones mecánicas. El cuarzo es un ejemplo de un cristal piezoeléctrico natural. Los cristales de cuarzo están hechos de átomos de silicio y oxígeno en un patrón repetitivo. En el cuarzo, los átomos de silicio tienen una carga positiva y los átomos de oxígeno tienen una carga negativa. Normalmente, cuando el cristal no está bajo ningún tipo de estrés externo, las cargas se dispersan uniformemente en las moléculas a través del cristal.

Funcionamiento Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en aisladores eléctricos, ellas están constituidas por innumerables cristales ferroeléctricos microscópicos llegando a denominarse como policristalinas, esos pequeños cristales poseen estructuras cristalinas tipo Perovskita, pudiendo presentar simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, teniendo en cuenta la temperatura en la que el material se encuentre. Estando por debajo de una 6

temperatura crítica, conocida como Temperatura de Curie, la estructura Perovskita presentará la simetría tetragonal donde el centro de simetría de las cargas eléctricas positivas no coincide con el centro de simetría de las cagas negativas, dando origen a un dipolo eléctrico. La existencia de este dipolo provoca que la estructura cristalina se deforme en presencia de un campo eléctrico y genere un desplazamiento eléctrico cuando es sometida a una deformación mecánica, caracterizando el efecto piezoeléctrico inverso y directo respectivamente.

Clasificación de los cerámicos piezoeléctricos Cuando se aplica un campo eléctrico alterno en una cerámica piezoeléctrica y se mide la polarización inducida en función del campo, se observará el fenómeno de histéresis ferroeléctrico. El área interna de esta curva corresponde a la energía disipada en forma de calor, debido a las pérdidas mecánicas y dieléctricas. La clasificación principal de los materiales piezoeléctricos es basada en gran medida al área de esta curva: Hard (materiales de alta potencia): aquellos que presentan una curva de histéresis cerrada, con el área pequeña. Soft (material de alta sensibilidad): aquellos que presentan una curva de histéresis abierta, con área expresiva. Según las normas de la marina américa las 2 clasificaciones todavía se dividen en sub- grupos, a través de los intervalos de propiedades y de acuerdo a los principios de aplicaciones: 

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Navy Type I (“Hard”): Recomendado para aplicaciones de media y alta potencia en condiciones de uso continuo y repetitivo. Este es capaz de generar altas amplitudes de vibraciones manteniendo bajas las perdidas mecánicas y dieléctricas. Propiedades de destaque: d33, disipación dieléctrica y Q. Principales aplicaciones: Sistemas de limpieza por ultrasonido y sonares. Conocido comercialmente como PZT -4. Navy Type II (“Soft”) : Alta sensibilidad, ideal para la transmisión y recepción de los dispositivos de baja potencia. Presenta perdidas dieléctricas y 7

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mecánicas que impiden la excitación continua con alta intensidad. Propiedades de destaque: d, g15, N y TC. Principales aplicaciones: Dispositivos para ensayos no destructivos, hidrófonos y acelerómetros. Comercialmente conocida como PZT -5ª. Navy Type III (“Hard” ): Similar, pero menos sensible que el Navy Type I; es capaz de convertir el doble de potencia manteniendo bajas las pérdidas mecánicas y dieléctricas. Recomendado para aplicaciones que precisen de alta potencia. Propiedades de destaque: Disipación dieléctrica, Q y conversión de potencia máxima. Principales aplicaciones: sistemas de soldadura por ultrasonidos y procesamiento de materiales. Comercialmente conocida como PZT -8. Navy Type IV (“Soft” ): Adecuado para aplicaciones de potencia media. Se tornó absoluto con la llegada de los PZT’ s, siendo substituido principalment e por el Navy Type I (conforme nota de rodapé 5, o sub-grupo Navy Type IV es constituido por BT ’ s y no por PZT ’ s). Posee baja TC. Principales aplicaciones: manutención de equipos antiguos. Conocido comercialmente como Titanato de Bario. Navy Type V (“Soft”) Adecuado para aplicaciones que  requieren alta energía y diferencia potencial. Propiedades destacadas: d33, K33 y g33. Principales aplicaciones: detonadores de impacto. Comercialmente conocida como PZT -5J. Navy Type VI (“Soft”) Adecuado para ap licaciones que requieren grandes deformaciones mecánicas. Propiedades destacadas: d33 y K 33. Principales aplicaciones: actuadores y posicionadores. Comercialmente conocida como PZT -5H.

Constantes piezoeléctricas los cerámicos piezoeléctricos tiene algunas constantes que son importantes para el uso en la industria, además sirven para el diseño de nuevos cerámicos piezoeléctricos: Constante de carga piezoeléctrica d: Unidad m/V (metros/Volt) o C/N (Coulomb/Newton).   Constante de tensión piezoeléctrica g: Unidad Vm/N (Volts x metros/Newton). Coeficiente de acoplamiento: Unidad Adimensional. Significado Eficiencia del material en la transducción/conversión de energía eléctrica en mecánica y viceversa. Factor de calidad mecánico Q: Unidad Adimensional. Significado: Es una medida del amortiguamiento del material. Factor de disipación dieléctrica Tan δ : Unidad Adimensional. Significado Es una medida dieléctrica del material.

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Temperatura de Curie TC: Unidad Grados Celsius. Significado: Es la temperatura donde la estructura cristalina del material sufre una transición de fase dejando de presentar propiedades piezoeléctricas. Constantes de frecuencia N: Unidad Hzm (Hertz x metro). Impedancia acústica Z: Unidad MRayls (kg/m2s). Significado: Es la manera con que la energía mecánica se propaga por el medio, es una propiedad análoga a la del índice de refracción.

Aplicaciones equipos médicos de imagen por ecografía   Medidores de nivel y distancia por pulso-eco (los sensores estacionamiento auto motivos son ultrasónicos). Equipos de limpieza por ultrasonidos. Sensores de vibraciones y acelerómetro. Máquinas de soldadura por ultrasonidos. Transductores por ultrasonidos para ensayos no destructivos (END). Actuadores y motores piezoeléctricos. Osciladores de cristal para los circuitos electrónicos.   Encendedores

 

de

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