+ All Categories
Home > Documents > Capitolul 6 Sm

Capitolul 6 Sm

Date post: 28-Nov-2015
Category:
Upload: elena-paulina
View: 39 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
Description:
y6t
26
ŞTIINŢA MATERIALELOR Modulul (capitolul) 6 CUPRINS MATERIALE CONDUCTOARE .................................................... 187 SI MATERIALE SEMICONDUCTOARE ...................................... 187 6.1. Materiale cu conductibilitate electrică ridicată ....................... 187 6.2. Materiale pentru contacte electrice ......................................... 198 6.3. Materiale pentru termocuple ................................................... 200 6.4. Materiale cu rezistivitate electrică ridicată ............................. 201 6.5. Materiale semiconductoare ..................................................... 202 Cuvinte cheie ................................................................................. 208 Bibliografie .................................................................................... 208 Teste de autoevaluare..................................................................... 209 OBIECTIVE: Insuşirea noţiunilor privind principalele tipuri de materiale cu proprietăţi speciale de conducţie electrică . Se au în vedere următoarele aspecte: studiul structurilor şi proprietăţilor materialelor cu conductibilitate electrică ridicată (cuprul şi aliajele sale, aluminiul şi aliajele sale, datorită utilizării lor pe scară largă), evidenţierea tipurilor de materiale metalice cu destinaţii speciale (contacte electrice, rezistoare, termocuple), studiul principalelor materiale semiconductoare (germaniul siliciul, seleniul şi compuşii semiconductori). Pentru fiecare categorie de probleme s-au evidenţiat aspectele esenţiale legate de proprietăţile specifice domeniului de utilizare. Insuşirea cunoştinţelor din acest capitol impune parcurgerea şi însuşirea noţiunilor din modulul 4 al cursului. Timp mediu necesar asimilării modulului: 12 ore
Transcript

ŞTIINŢA MATERIALELOR Modulul (capitolul) 6

CUPRINS

MATERIALE CONDUCTOARE ....................................................187 SI MATERIALE SEMICONDUCTOARE ......................................187

6.1. Materiale cu conductibilitate electrică ridicată.......................187 6.2. Materiale pentru contacte electrice .........................................198 6.3. Materiale pentru termocuple...................................................200 6.4. Materiale cu rezistivitate electrică ridicată .............................201 6.5. Materiale semiconductoare .....................................................202 Cuvinte cheie .................................................................................208 Bibliografie ....................................................................................208 Teste de autoevaluare.....................................................................209

OBIECTIVE:

Insuşirea noţiunilor privind principalele tipuri de materiale cu proprietăţi speciale de conducţie electrică .

Se au în vedere următoarele aspecte: studiul structurilor şi proprietăţilor materialelor cu conductibilitate electrică ridicată (cuprul şi aliajele sale, aluminiul şi aliajele sale, datorită utilizării lor pe scară largă), evidenţierea tipurilor de materiale metalice cu destinaţii speciale (contacte electrice, rezistoare, termocuple), studiul principalelor materiale semiconductoare (germaniul siliciul, seleniul şi compuşii semiconductori). Pentru fiecare categorie de probleme s-au evidenţiat aspectele esenţiale legate de proprietăţile specifice domeniului de utilizare. Insuşirea cunoştinţelor din acest capitol impune parcurgerea şi însuşirea noţiunilor din modulul 4 al cursului.

Timp mediu necesar asimilării modulului: 12 ore

STIINTA MATERIALELOR

186

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

187

MATERIALE CONDUCTOARE

SI MATERIALE SEMICONDUCTOARE

6.1. Materiale cu conductibilitate electrică ridicată

6.1.1. Cuprul şi aliajele sale Cuprul este un metal de culoare roşie, cu reţea cristalină CFC, ceea ce îi

conferă plasticitate foarte bună (A = 40 %) dar rezistenţă mecanică relativ scăzută

( Rm = 200…250 N/mm2 în stare laminat şi recopt). Prin deformare plastică la rece

cuprul se ecruisează, şi caracteristicile de rezistenţă cresc (Rm = 400…500

N/mm2), dar scade plasticitatea (A = 1…5%) Cuprul ecruisat îşi recapătă

proprietăţile de plasticitate prin aplicarea unui tratament termic ce constă din

încălzire la 600…800 oC şi răcire bruscă.

Principalele caracteristici fizice ale cuprului sunt prezentate în tabelul 6.1.

Conductibilitatea electrică foarte bună, care îl situează pe locul doi după argint,

este influenţată puternic de prezenţa impurităţilor. Considerând conductibilitatea

cuprului pur ca bază (100%), din figura 6.1 în care este prezentată influenţa

principalelor impurităţi asupra conductibilităţii, se constată că influenţa cea mai

puternică o au elementele: fosfor, siliciu, fier arseniu beriliu, iar influenţa cea mai

mică o au elemente cum ar fi: zincul, cadmiul şi argintul. Tabelul 6.1 Principalele caracteristici ale cuprului

Valori Denumirea caracteristicii Unitatea de măsură Cupru recopt Cupru ecruisat

Densitatea kg/m3 8950 Temperatura de topire oC 1083 Rezistenţa la rupere Rm N/mm2 200…250 400…490 Alungirea procentuală după rupere A % 50…30 4…2 Duritatea Brinell HB 40…50 80…120 Modulul de elasticitate E N/mm2 122000 126000 Rezistivitatea electrică ρ la 20 oC Ωm 17,241·10−9 17,7·10−9 Coeficientul de temperatură al rezistivităţi αρ K−1 3,39·10−3 Conductivitatea termică la 20 oC W/mK 3,9398 Coeficientul de dilatare liniară α K−1 1,77·10−6 Temperatura de recoacere de recristalizare oC 400…700

STIINTA MATERIALELOR

188

Principalele impurităţi ale cuprului se pot clasifica în următoarele

categorii:

• impurităţi solubile în cuprul solid (Ag, Au, Zn, Sn, Fe, Pt, Cd, Ni, Mn,

Mg, Cr, As, Sb); efectele prezenţei în concentraţii masice mici (sub 0,5 %) a

acestor impurităţi (care formează soluţii solide de substituţie cu cuprul), constând

în reducerea conductibilităţii termice şi electrice (v. fig. 6.1), creşterea rezistenţei

mecanice şi durităţii, micşorarea plasticităţii şi tenacităţii, etc., sunt, de obicei,

acceptabile; pentru anumite aplicaţii chiar se introduc în mod intenţionat mici

cantităţi din aceste elemente (microaliere) pentru obţinerea unor caracteristici

speciale.

Fig. 6.1. Influenţa impurităţilor asupra conductibilităţii cuprului pur

• impurităţi insolubile în cuprul solid (Pb, Bi); aceste impurităţi

formează cu cuprul eutectice uşor fuzibile (Pb şi Cu formează un eutectic care

conţine %Cum = 0,06 % şi are ts ≅ 320 oC, iar Bi şi Cu formează un eutectic care

conţine %Cum = 0,2 % şi are ts ≅ 270 oC), care se dispun la limitele cristalelor de

cupru şi îi influenţează negativ prelucrabilitatea prin deformare plastică la cald

(generează fenomene de fragilitate sau fisurare la cald);

• impurităţi care formează cu cuprul compuşi chimici fragili (O, S, P,

Se, Te); compuşii (cu topire congruentă) pe care îi formează cu cuprul aceste

impurităţi se dispun intercristalin în structura cuprului, sub formă de incluziuni

nemetalice, diminuându-i substanţial plasticitatea şi tenacitatea şi micşorându-i

considerabil conductibilitatea termică şi electrică (v. fig.6.1); prezenţa

incluziunilor intercristaline de CuO2 în structura cuprului (nedezoxidat

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

189

corespunzător la elaborare) poate determina şi fenomenul numit “boala de

hidrogen”, care se declanşează prin reacţia Cu2O + H2 ⇒ 2Cu + H2O şi conduce

la formarea de vapori de apă a căror presiune creşte (deoarece nu se pot elimina),

producând fisurarea intercristalină a produselor din cupru.

Cuprul utilizat în electronică şi electrotehnică are puritatea

99,99 …99,95% şi se obţine prin purificarea electrolitică a cuprului rezultat în

urma proceselor pirometalurgice.

Cuprul are o bună rezistenţă la coroziune în multe medii de lucru:

atmosfere poluate, ape reziduale şi ape sărate, vapori de apă supraîncălziţi, soluţii

slabe, neaerate de sulfaţi, azotaţi, cloruri şi acizi anorganici (sulfuric, clorhidric,

azotic), substanţe organice (benzină, motorină, benzol, glicerină etc.). Cuprul este

atacat (se corodează) în medii care conţin hidrogen, sulf, hidrogen sulfurat,

amoniac, soluţii concentrate de acizi anorganici, anilină şi acid acetic etc.

Cuprul formează un număr impresionant de aliaje; cu excepţia aliajelor

Cu-Zn care se numesc alame, aliajele cuprului cu staniu, cu aluminiu, cu siliciu

etc., se numesc bronzuri: bronzuri cu staniu, bronzuri cu aluminiu etc.

Aliaje Cu-Zn (alame). Alamele sunt aliaje binare sau polinare cu bază de

cupru, în care elementul principal de aliere este Zn; în figura 6.2 se prezintă

diagrama de echilibru a sistemului binar Cu-Zn în domeniul aliajelor utilizate în

tehnică (până la 50% Zn), iar în figura 6.3 se prezintă variaţia principalelor

caracteristici mecanice în funcţie de conţinutul de zinc. Alamele se utilizează

datorită caracteristicilor mecanice şi rezistenţei la coroziune mai bune decât ale

cuprului şi datorită costului mai scăzut (zincul are preţul mai redus decât cuprul

sau alte elemente de aliere)

Din diagrama de echilibru rezultă că până la 39 % Zn alamele au structura

monofazică, constituită din soluţia solidă de substituţie care are ca solvent cuprul

şi ca dizolvat zincul (faza α) ; la concentraţii mai mari (39…50% Zn) în structură

apare şi faza β’ care este compusul electronic CuZn (concentraţia electronică Ce =

3/2) ce a suferit procesul de ordonare la răcire (izoterma MN în diagramă).

Alamele monofazice se prelucrează uşor prin deformare plastică la cald şi

la rece (cea mai bună plasticitate la rece o au alamele cu 30%Zn, aşa cum se

constată din fig. 6b), fiind utilizate sub formă de benzi, sârme, table, ţevi, profile

şi piese ambutisate. Alamele cu până la 20% Zn au rezistenţă rifdicată la

STIINTA MATERIALELOR

190

coroziune şi se mai numesc şi tombacuri. Alamele bifazice α + β’ se prelucrează

numai prin deformare plastică la cald sau prin turnare deoarece au plasticitate

redusă la temperatură ambiantă.

Fig.6.2. Diagrama de echilibru a sistemului de

aliaje Cu - Zn Fig.6.3. Variaţia caracteristicilor mecanice ale

alamelor în funcţie de %Znm

In afara alamelor binare Cu-Zn, se utilizează şi alame speciale care sunt

aliaje ce conţin în afară de Zn şi alte elemente de aliere cum ar fi: Al, Fe, Ni, Si,

Sn, Mn, Pb) în concentraţii de obicei reduse (1…4%) Aceste elemente conferă

alamelor caracteristici mecanice superioare (Al, Sn, Fe, Mn), rezistenţă la oxidare

(Si), prelucrabilitate bună prin aşchiere (Pb) etc. Tabelul 6.2. Principalele caracteristici ale unor alame

Aliajul Caracteristica

Unitatea de

măsură CuZn10 …

CuZn20 CuZn 30 CuZn39Pb2 Densitatea kg/m3 8800 … 8670 8530 8440 Rezistenţa la rupere Rm - în stare recoaptă - în stare ecruisată

N/mm2

250…300 350…700

250…300 500…680

370…450 510…630

Alungirea la rupere A - în stare recoaptă - în stare ecruisată

%

48…35 25…3

40…60 10…5

25 5

Temperatura de recoacere oC 425…700 425…700 425…600 Rezistivitatea la 20 o C Ωm 39·10−9…54·10−9 62·10−9 64·10−9 Conductivitatea termică W/mK 188…138 121 117 Coeficientul de dilatare liniară αt . 107 K-1 182…191 199 -

Simbolurile mărcilor de alame (şi aliaje neferoase în general) sunt alcătuite

din simbolul chimic al componentului de bază, urmat de simbolurile chimice ale

elementelor de aliere, scrise în ordinea descrescătoare a importanţei lor,

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

191

simbolurile chimice ale elementelor de aliere pentru care concentraţia este în jur

de 1 % sau mai mare fiind însoţite de numere (de preferinţă întregi) care indică

concentraţiiile masice nominale (medii) ale acestor componente; de exemplu,

CuZn38Pb2Mn2 este alama cu 38% Zn, 2%Pb şi 2%Mn. In tabelul 6.2 se

prezintă principalele caracteristici ale câtorva alame utilizate frecvent în

electronică şi electrotehnică.

Aliaje Cu-Sn (bronzuri cu Sn). Bronzurile cu staniu folosite în tehnică

au %Cum ≤ 22 % şi prezintă, în funcţie de concentraţia masică a staniului,

structurile indicate de diagramele de echilibru (stabil sau metastabil) redate în

figura 6.4; Fazele care apar pe diagramele de echilibru din figura 6.4 au

următoarele semnificaţii:

• L este soluţia lichidă a componentelor Cu şi Sn;

• α este soluţia solidă de substituţie având ca solvent cuprul şi ca dizolvat

staniul (α ≡ Cu(Sn)); deoarece prezintă, ca şi solventul său, structură cristalină de tip

CFC, faza α se caracterizează printr-o bună plasticitate, putând fi deformată

plastic uşor, atât la cald, cât şi la rece;

Fig. 6.4. Diagramele de echilibru ale sistemului de aliaje Cu – Sn pentru diferite stări: a. starea de echilibru stabil; b. starea metastabilă obţinută prin recoacere (starea O);

c. starea metastabilă obţinută prin turnare (strarea M)

• β este o soluţie solidă pa baza compusului chimic Cu5Sn (fază

bertholidă), cu structură cristalină de tip CVC, care apare (la răcirea bronzurilor

topite) prin defăşurarea transformării peritectice (la t ≅ 800 oC): L + α ⇒ β; β este

stabilă numai până la temperatura t = 586 oC, la care se descompune eutectoid:

β ⇒ α + γ;

STIINTA MATERIALELOR

192

• γ este (ca şi β) o soluţie solidă pe baza compusului chimic Cu5Sn (fază

bertholidă), cu structură cristalină de tip CVC; faza γ este stabilă numai până

temperatura la t = 520 oC, la care se descompune eutectoid: γ ⇒ α + δ;

• δ este o soluţie solidă pe baza compusului chimic Cu31Sn8 (fază

bertholidă), cu structură cristalină complexă; faza δ este stabilă numai până la

temperatura t = 320 oC, la care, în condiţii de echilibru (care presupun menţineri

îndelungate), se descompune eutectoid: δ ⇒ α + ε;

• ε este compusul intermetalic Cu3Sn; datorită vitezei extrem de reduse cu

care se realizează transformarea δ ⇒ α + ε, aşa cum rezultă examinând

diagramele din figura 6.4, faza ε nu apare în structura semifabricatelor şi pieselor

din bronzuri industriale.

În funcţie de structura pe care o prezintă (la ta) în starea M, de

caracteristicile mecanice asigurate şi de procedeul tehnologic recomandat pentru

realizarea semifabricatelor şi pieselor, bronzurile cu staniu se pot clasifica astfel:

Bronzurile monofazice α (cu structura la ta alcătuită numai din cristale de

soluţie solidă α) au %Snm ≤ 8 ... 9 % şi sunt bronzuri deformabile (care se pot

prelucra atât prin deformare plastică la cald, cât şi prin deformare plastică la rece);

structura de turnare a acestor bronzuri, alcătuită din cristale dendritice de soluţie

solidă α neomogenă, aşa cum se observă pe micrografia din figura 6.5.a, se poate

transforma prin recoacere (precedată sau nu de o operaţie de prelucrare prin

deformare plastică) într-o structură cu cristale poliedrice de soluţie solidă α

omogenă, aşa cum se poate vedea pe migrografia prezentată în figura 6.5.b.

Fig. 6.5. Structura la ta a bronzurilor monofazice α

a – după turnare; b – după deformare plastică şi recoacere Bronzurile hipoeutectoide (bronzurile bifazice) au %Snm = 10...20 % şi se

folosesc ca bronzuri de turnare; în starea M, structurile la ta ale semifabricatelor

şi pieselor realizate din astfel de bronzuri conţin fazele α şi δ şi, respectiv,

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

193

constituenţii α (preeutectoid) şi amestecul eutectoid (α + δ), duritatea şi

fragilitatea acestor structuri crescând pe măsură ce se măreşte conţinutul lor

procentual de eutectoid (α + δ).

• Pentru îmbunăţăţirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cu staniu

se pot alia suplimentar şi cu alte elemente, cum ar fi: fosforul, introdus în

concentraţii %Pm = 0,3...0,6 %, plumbul, introdus în concentraţii %Pbm ≤ 12 %,

zincul, în concentraţii %Znm = 5...10 %, elemente ce influenţează pozitiv

proprietăţile de turnare, caracteristicile de antifricţiune şi rezistenţa la uzare a

bronzurilor.

Mărcile de bronzuri cu staniu comerciale corespund prescripţiilor

anterior formulate; de exemplu, CuSn6; CuSn8 şi CuSn4Pb4Zn4 sunt mărci

de bronzuri monofazice α (bronzuri deformabile), iar GCuSn14; GCuSn12Ni2

şi GCuSn10Zn2 sunt mărci de bronzuri de turnare (recunoscute şi după litera G

din simbolizare).

Bronzurile cu aluminiu folosite în tehnică au %Alm ≤ 15 % şi prezintă

structuri şi caracteristici asemănătoare bronzurilor cu staniu, dar sunt mai ieftine.

Aceste aliaje au proprietăţi de turnare foarte bune însă prezintă la solidificarea după

turnare, tendinţa de a forma cristale dendritice lungi (columnare), care înrăutăţesc

comportarea la deformare plastică a pieselor şi semifabricatelor turnate; acest

dezavantaj poate fi eliminat, dacă la elaborare se face modificarea lor cu V, Ti, B şi

li se aplică o bună dezoxidare (pentru evitarea apariţiei în structură a incluziunilor

fragile de Al2O3).

Bronzurile cu aluminiu au, în comparaţie cu bronzurile clasice, rezistenţă

la coroziune mult mai bună (în medii ca: apa de mare şi soluţiile saline, soluţiile

de acid carbonic, soluţiile unor acizi organici), densitate mai mică, caracteristici

de antifricţiune şi rezistenţa la uzare mai scăzute şi caracteristici mecanice

asemănătoare. Pentru îmbunăţăţirea unor caracteristici de utilizare, bronzurile cu

aluminiu se pot alia suplimentar şi cu alte elemente, cum ar fi:fierul, în

concentraţii %Fem = 3...5 %, manganul, în concentraţii masice %Mnm ≤ 2 %,

nichelul, în concentraţii masice %Nim ≤ 5 %, elemente ce îmbunătăţesc

caracteristicile mecanice, caracteristicile de antifricţiune şi măresc refractaritatea

acestora (rezistenţa la oxidare/coroziune la temperaturi înalte).

STIINTA MATERIALELOR

194

Bronzurile cu beriliu utilizate în mod obişnuit au %Bem = 1,5...2,0 % şi

prezintă la ta, în stările M sau O, o structură alcătuită din fazele α (soluţie solidă

Cu(Be) şi γ (compusul definit CuBe cu reţea CVC) şi, respectiv, amestecul

eutectoid (α + γ);. Datorită variaţiei mari cu temperatura a solubilităţii beriliului

în cupru, semifabricatele şi piesele confecţionate din aceste aliaje se pot trata

termic prin călire de punere în soluţie (de la ti = 800 ... 820 oC), pentru

obţinerea unei structuri monofazice α (cu cristale de α suprasaturate cu

beriliu), urmată de îmbătrânire artificială (la ti = 300 ... 350 oC); efectele de

durificare ale acestui tratament termic se pot mări substanţial, dacă (după

călire) se face ecruisarea controlată a acestor bronzuri prin deformare plastică

la rece. Se obţin astfel caracteristici mecanice ridicate (Rm = 1100 ... 1500

N/mm2; Rp0,2 = 1000 ... 1050 N/mm2 şi A = 2 ... 5 %, iar duritatea lor este

350 ... 400 HB).

Datorită acestor caracteristici bronzurile cu beriliu sunt utilizate în

construcţia aparatelor de măsură pentru realizarea elementelor elastice, pentru

realizarea elementelor arcuitoare ale contactelor electrice etc.

6.1.2 Aluminiul şi aliajele pe bază de aluminiu

Aluminiul are structura cristalină CFC, fiind caracterizat de plasticitate

foarte bună dar rezistenţă mecanică scăzută. Sub formă de metal pur sau sub

formă de component de bază al unor aliaje, aluminiul este utilizat în prezent

pentru realizarea de semifabricate şi produse pentru multe ramuri economice

importante: aeronautică, construcţii civile şi industriale, electrotehnică şi

telecomunicaţii, energetică neconvenţională (solară, eoliană), forajul sondelor de

petrol, chimie şi petrochimie etc. Principalele proprietăţi fizice sunt redate în

tabelul 6.3; caracteristicile care trebuie remarcate, deoarece au determinat

opţiunile pentru utilizarea acestui metal în cele mai multe aplicaţii, sunt:

densitatea scăzută, conductibilitatea termică şi electrică ridicată.

Principalele impurităţi ale aluminiului tehnic se pot clasifica în

următoarele categorii:

• impurităţi solubile în aluminiul solid (Si, Cu, Mg, Zn, Mn, Ni, Cr, Ti,

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

195

Ta, Zr); efectele prezenţei acestor impurităţi în concentraţii masice mici, constând

în diminuarea proprietăţilor de turnare (Cu, Mg, Zn, Mn) sau îmbunătăţirea

acestora (Si şi, mai ales, Ti, Ta, Zn), creşterea rezistenţei mecanice şi scăderea

plasticităţii (Si, Mg, Zn, Mn, Cr, Mo), mărirea rezistenţei la coroziune (Si, Mg,

Mn, Ni) sau diminuarea acesteia (Cu), creşterea refractarităţii (Ni, Cr, Mo),

îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin aşchiere (Cu, Zn), reducerea conductibilităţii

electrice (Mn) etc., sunt de obicei acceptabile;

• impurităţi insolubile în aluminiul solid (Sn, Pb, Bi); aceste impurităţi

uşor fuzibile se separă la limitele cristalelor de aluminiu şi influenţează negativ

prelucrabilitatea prin deformare plastică la cald (generează fenomene de fragilitate

sau fisurare la cald);

• impurităţi care formează cu aluminiul compuşi chimici (Fe, Si, As,

Sb); prezenţa compuşilor (Al3Fe, Al12Fe3Si, AlAs, AlSb) pe care îi formează

aluminiul cu aceste impurităţi are ca efect principal diminuarea plasticităţii şi

tenacităţii semifabricatelor sau produselor din aluminiu.

Tabelul 6.3. Principalele caracteristici ale aluminiului

Valori Denumirea caracteristicii Unitatea de măsură Al 99,6

recopt Al 99,6 ecruisat

Al 99,6 turnat

Densitatea kg/m3 2700 2700 2560 Temperatura de topire oC 660 Rezistenţa la rupere Rm N/mm2 70…110 150…250 90…120 Alungirea după rupere A % 30…45 2…8 13…25 Duritatea Brinell HB 15…25 35…70 24…32 Modulul de elasticitate E N/mm2 6200 7200 - Rezistivitatea electrică ρ la 20 oC Ωm 28·10−9 Coeficientul de temperatură al rezistivităţi αρ K−1 4,0·10−3 Conductivitatea termică la 20 oC W/mK 217 Coeficientul de dilatare liniară α K−1 23,9·10−6 Temperatura de recoacere de recristalizare oC 200…450

In funcţie de gradul de puritate se utilizează următoarele tipuri de

aluminiu:

- aluminiu de puritate tehnică având max. 0,5% impurităţi; aluminiul

destinat conductoarelor electrice are condiţii suplimentare privind conţinutul în

anumite impurităţi şi se notează Al E;

- aluminiu rafinat electrolitic are conţinutul de impurităţi 0,05…0,005 %

şi este destinat realizării armăturilor pentru condensatoare şi în aparatură

electronică specială;

STIINTA MATERIALELOR

196

- aluminiu extrapur are conţinutul de impurităţi max. 0,001% şi este

utilizat sub formă de straturi subţiri în microelectronică.

Aluminiul are o bună rezistenţă la coroziune în multe medii de lucru:

atmosfere poluate, ape reziduale, vapori de apă, medii apoase care conţin dioxid

de carbon, soluţii de acid sulfuric etc. Rezistenţa la coroziune a produselor din

aluminiu se datorează acoperirii lor (pe cale naturală sau prin aplicarea unor

procedee tehnologice de tratare chimică sau electrochimică) cu o peliculă de

Al2O3, aderentă, compactă şi foarte rezistentă la coroziune, care împiedică

atacarea produselor de către mediilor active de lucru. Prezenţa impurităţilor (Fe,

Cu, etc.) sau unele medii active (soluţiile de acid azotic, soluţiile de acid fosforic,

amoniacul) pot determina declanşarea unor procese de corodare intensă a

produselor din aluminiu.

Cele mai răspândite aliaje pe bază de aluminiu sunt: Al-Cu, Al-Si, Al-Mg,

Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si şi Al-Zn-Mg-Cu. Diagramele de echilibru binare ale

aliajelor pe bază de aluminiu sunt diagrame cu solubilitate parţială şi transformare

eutectică, aşa cum este arătat în figura 6.6. Aliajele se împart în următoarele

categorii:

- aliaje deformabile, cele plasate în domeniile I şi II marcate pe diagrama

de principiu din figura 6.6 a; aliajele din domeniul I sunt nedurificabile prin

tratament termic şi în această catgorie intră în special aliajele cu mangan şi cu

magneziu, iar aliajele din domeniul II se durifică prin tratatemt termic de

îmbătrânire;

- aliaje pentru turnare, sunt cele plasate în jurul concentraţiei eutectice

(domeniul III pe diagrama din figura 6.6 a)

Aliajele pe bază de aluminiu durificabile prin tratament termic au

caracteristici mecanice comparabile cu ale oţelurilor.

Procesul tehnologic prin care se realizează prelucrarea prin deformare

plastică şi durificarea structurală a unui semifabricat confecţionat dintr-un astfel

de aliaj are următoarele etape:

- călirea de punere în soluţie, constând din răcirea în apă a semifabricatului

încălzit la o temperatură tic (v. fig. 6.6 b) pentru obţinerea la ta a unei structuri

monofazice, alcătuită din cristale de soluţie solidă α suprasaturată în atomii

elementului de aliere ;

- prelucrarea prin deformare plastică a semifabricatului cu structură

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

197

monofazică α;

- îmbătrânirea (naturală sau artificială), constând din menţinerea

produsului prelucrat prin deformare plastică la o temperatură tii (v. fig. 6.6 b) în

vederea separării din soluţia solidă α suprasaturată a unor faze cu dimensiuni şi

grad de dispersie ce depind de temperatură şi timpul de menţinere, capabile să

producă durificarea la nivelul dorit a structurii; în practică se preferă îmbătrânirea

artificială deoarece rezultatele sunt mai stabile în timp; în cazul îmbătrânirii

naturale ( menţinerea la temperatură ambiantă) orice încălzire ulterioară a

materialului va conduce la modificarea proprietăţilor.

Fig. 6.6. Diagrama de echilibru principială a aliajelor binare pe bază de aluminiu:

a- clasificarea aliajelor; b – temperaturile tratamentelor termice de durificare

Aliajele industriale aparţinând acestei categorii au compoziţie complexă,

alierea aluminiului cu mai multe elemente fiind determinată de necesităţi privind

îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin deformare plastică, anihilarea influenţelor

negative ale unor impurităţi greu de eliminat la elaborare, sporirea capacităţii de

durificare prin călire şi îmbătrânire, îmbunătăţirea rezistenţei la coroziune etc.

Cele mai folosite sunt aliajele Al – Cu – Mg cu adaosuri de Mn, cunoscute sub

denumirea de duraluminiu.

Pentru obţinerea pieselor cu forme complicate şi pereţi subţiri (elemente

de răcire a dispozitivelor electronice) se folosesc aliaje Al-Si turnate, care au

11...14% Si şi sunt cunoscute sub denumirea silumin. Pentru îmbunătăţirea

caracteristicilor mecanice şi tehnologice ale acestor aliaje se practică modificarea

cu sodiu (care se adaugă înainte de turnare, sub formă de cloruri sau fluoruri,

peste aliajele topite).

STIINTA MATERIALELOR

198

6.2. Materiale pentru contacte electrice

6.2.1. Materiale pentru contacte electrice fixe şi de întrerupere

Alegerea materialelor pentru contacte electrice este dificilă deoarece

intervin foarte mulţi factori care influenţează comportarea în exploatare.

Materialele utilizate pentru contacte electrice trebuie să îndeplinească următoarele

condiţii:

- conductivitate electrică şi conductivitate termică ridicate;

- rezistenţă la coroziune; devine extrem de importantă în cazul circuitelor

cu tensiuni şi intensităţi reduse, aşa cum este cazul circuitelor şi dispozitivelor

electronice;

- rezistenţă la eroziune sub acţiunea arcului electric; la deschiderea

circuitelor atmosfera din jurul contactului se ionizează şi se produc descărcări

electrice care provoacă desprinderea de particule din suprafaţa contactelor prin

vaporizarea metalului sau prin acţiune mecanică;

- rezistenţă la sudare; sudarea contactelor este cel mai periculos fenomen

în cazul instalaţiilor electrice ce lucrează cu intensităţi mari ale curentului electric

deoarece împiedică deschiderea la momentul oportun al circuitului; sudarea se

produce sub acţiunea presiunii şi încălzirii locale datorită rezistenţei electrice de

contact care este mai mare decât în restul circuitului;

- rezistenţă la uzare mecanică; uzarea se produce ca urmare a frecării

locale în timpul închiderii şi deschiderii circuitului.

Materialele utilizate pentru contacte electrice pot fi: metale pure, aliaje

obţinute prin topire şi materiale metalice obţinute prin sinterizare din pulberi.

A. Metalele pure se folosesc pentru contacte fixe datorită conductibilităţii

electrice mari şi rezistenţei la coroziune; utilizarea lor este limitată datorită

caracteristicilor mecanice reduse şi rezistenţei scăzute la sudare. Principalele

metale utilizate pentru contactele electrice sunt:

- argintul − are cea mai bună conductibilitate electrică, dar în atmosferă

(care conţine întodeuna compuşi ai sulfului) se acoperă cu un strat de sulfură AgS,

care este electroizolantă;

- cuprul − are conductibilitate bună, dar se oxidează uşor şi nu are

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

199

rezistenţă la sudare; se utilizează acoperit cu un strat de Ag sau Sn;

- aurul – se utilizează pentru contacte cu forţă redusă de apăsare (inserţia

microprocesoarelor pe plăcile de bază) şi în aparatura electronică ce lucrează în

condiţii deosebite datorită rezistenţei sale la coroziune;

platina − se utilizează în aparatura specială datorită rezistenţei

excepţionale la coroziune şi rezistenţei la uzare;

B. Aliajele obţinute prin topire utilizate pentru contactele electrice din

aparatura electronică sunt în special aliaje binare sau complexe pe bază de argint,

cupru, platină, aur, paladiu, wolfram etc. Pentru contactele destinate circuitelor de

putere medie, se mai utilizează şi alame, bronzuri, aliaje Cu-Ag, Ag-Cd etc.

C. Materialele metalice obţinute prin sinterizare se utilizează în special

pentru contactele destinate circuitelor de putere mare datorită rezistenţei ridicate

la uzare, rezistenţei la oxidare şi la sudare. Sinterizarea este procesul prin care se

obţin materiale din pulberile componenţilor prin presare şi încălzire simultană la

temperaturi ridicate ( până la 70% din temperatura metalului mai grue fuzibil).

Materialele metalice sinterizate se utilizează datorită următoarelor avantaje:

- pot fi obţinute materiale metalice din componenţi ce nu sunt miscibili în

stare topită (de exemplu Ni şi Ag), sau componenţi cu temperatura ridicată de

topire (aliaje pe bază de W);

- se pot doza mult mai precis componenţii sub formă de pulberi;

- se pot obţine piese de dimensiuni oricât de mici, fără necesitatea unor

prelucrări ulterioare.

Principalele tipuri de materiale sinterizate utilizate sunt: Ag-Ni, Ag-CdO,

W-Ag, W-Cu, Ag-W-Cu etc. Cea mai bună conductibilitate o au aliajele Ag-Ni

90/10 care sunt însă scumpe; din acelaşi sistem se folosesc şi alte aliaje cu

conţinuturi mai mici de argint. In cazul aliajelor Ag-CdO prin descompunerea

oxidului de cadmiu sub acţiunea arcului electric ce se formează la deschiderea

circuitului, iau naştere vapori care au capacitatea de a stinge rapid acest arc electric.

6.2.2. Materiale pentru contacte alunecătoare

In cazul contactelor alunecătoare (contacte mobile), materialele utilizate

trebuie să aibă rezistenţă mai mare la uzare, iar cuplul de materiale să asigure un

coeficient de frecare redus. Se utilizează cupluri de material în care un element

STIINTA MATERIALELOR

200

este realizat dint-un aliaj (bronzuri cu cadmiu, bronzuri cu beriliu, alame etc), iar

celălalt element din grafit sau materiale metalografitice.

Grafitul (formă alotropică a carbonului cu structură cristalină hexagonală)

asigură un coeficient de frecare redus datorită desprinderii unor particule foarte

fine prin clivaj pe planele cristaline paralele şi micşorării rugozităţii suprafeţelor

de contact prin umplerea microgolurilor cu aceste particule.

Materialele metalografitice (Cu + grafit, bronz + grafit) se obţin prin

sinterizare şi au conductibilitatea electrică şi termică şi rezistenţa mecanică mai

bune decât grafitul.

6.3. Materiale pentru termocuple

Pentru realizarea termocuplelor standardizate se utilizează cupluri de

materiale la care fenomenul termoelectric (efectul Seebeck) este pronunţat iar

tensiunea termoelectromotoare de contact (t.t.e.m.) are variaţie liniară cu

temperatura în domeniul de utilizare.

Se utilizează metale pure (Cu, Fe, Pt, W, Mo, Rh) şi aliaje: constantan –

aliaj cu 54% Cu şi 46% Ni; cromel – aliaj cu 90% Ni şi 10% Cr; alumel – aliaj cu

95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si; platin rhodiu – aliaj cu 90% Pt, 10% Rh.

In tabelul 6.4 se prezintă principalele termocuple cu simbolizarea lor

internaţională şi domeniul de temperaturi pentru care se utilizează. Din figura 6.7

în care se prezintă variaţia cu temperatura a t.t.e.m. pentru aceste termocuple

rezultă că la termocuplele destinate temperaturilor ridicate (tip S şi K) t.t.e.m. sunt

mai reduse. Tabelul 6.4 Principalele tipuri de termocuple

Termocuplul Simbolizare Domeniu de utilizare, oC

Cupru - Constantan T −250…370 Fier - Constantan J −200…760 Cromel - Constantan E 0…870 Cromel - Alumel K 0…1260 Platin - Platin Rhodiu S 0…1600

Fig. 6.7. Variaţia t.t.e.m. a principalelor

termocuple

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

201

6.4. Materiale cu rezistivitate electrică ridicată

6.4.1.Materiale pentru rezistoare de precizie şi reostate Sunt materiale la care se impun următoarele cerinţe: rezistivitate electrică

ridicată şi constantă cu temperatura (coeficient de temperatură al rezistivităţii

redus), să aibă t.t.e.m. mică faţă de cupru pentru a nu genera tensiuni parazite în

circuite, să suporte încălziri fără să-şi modifice proprietăţile sau să devină fragile

la răcire.

Se folosesc pe scară largă aliajele cunoscute sub denumirea comercială de

manganine (aliaje de cupru, mangan, nichel sau aluminiu şi, eventual, fier ) şi

aliaje Cu-Ni sau Cu-Ni-Zn (cunoscute sub denumirile comerciale de argentan,

alpaca sau neusilber datorită faptului că aspectul este similar argintului). In

tabelul 6.5 sunt prezentate câteva tipuri de aliaje pentru rezistoare şi reostate şi

caracteristicile principale ale acestora. Tabelul 6.5 Compoziţia chimică şi caracteristicile principale ale unor aliaje rezistive

Compoziţia, % Aliajul Cu Mn Ni Fe Al Zn

Rezistivitatea ρ la 20 oC,

µΩm

Coeficient αρ(t)⋅106,

K-1

t.t.e.m faţă de Cu ,

µV/K 86 12 2 0,43 5,5 −0,6 84 13 3 0,50 - −0,2 33 67 1,88 0 −1,0

Manganine

10 60 30 2,05 −100 0 Constantan 60 40 0,50 1,0 42 Nichelina 54 26 20 0,43 2,3 −25 Argentan 60 17 23 0,30 3,5 15

6.4.2. Materiale pentru filamente şi rezistenţe de încălzire Sunt materiale care trebuie să aibă rezistenţă mare la oxidare, refractaritate

(rezistenţă mecanică la temperaturi ridicate), rezistivitate electrică mare şi

coeficeintul de temperatură al rezistivităţii redus. Se utilizează metale pure, aliaje,

grafit şi compuşi nemetalici.

Metalele pure utilizate în special sunt: wolframul, molibdenul, tantalul şi

niobiul, metale cu temperaturi ridicate de topire aşa cum se constată din tabelul 6.6 în

care se prezintă principalele lor caracteristici; se utilizează pentru realizarea

filamentelor lămpilor cu incandescenţă sau tuburilor elctronice, rezistenţe de încălzire

pentru cuptoare de temperaturi înalte etc. Wolframul, care are cea mai ridicată

temperatură de topire este dur, casant şi se prelucrează numai prin sinterizare.

STIINTA MATERIALELOR

202

Tabelul 6.6. Principalele caracteristici ale unor metale pentru filamente şi rezistenţe

Metalul Densitatea, kg/m3

Temperatura de topire, oC

Temperatura max. de utilizare, oC

Rezistivitatea ρ la 20 oC, µΩm

Wolfram 19300 3410 2500 5,51 Molibden 10200 2620 2000 5,70 Tantal 16500 2000 2000 12,4 Niobiu 8560 2470 1800 14,2

Aliajele utilizate curent pentru rezistenţe de încălzire sunt:

- aliaje pe bază de nichel şi crom ( denumire comercială nicromi);

cromul se dizolvă în nichel şi formează soluţii solide cu rezistenţă mecanică

ridicată şi rezistenţă mare la oxidare; pentru îmbunătăţirea caracteristicilor

mecanice şi pentru reducerea costului nicromilor, o parte din crom se înlocuieşte

cu fier (feronicromi);

- aliaje pe bază de fier, care conţin în special Cr sau Ni, şi adaosuri deAl

sau Si, sunt mai ieftine dar au variaţii mai mari ale rezistivităţii cu temperatura.

Grafitul şi compuşii nemetalici dintre care cei mai utilizaţi sunt carbura

de siliciu SiC (silita) şi siliciura de molibden MoSiO2 (mosilit) se folosesc sub

formă de bare pentru încălzirea cuptoarelor electrice la temperaturi ridicate

(1400…1700 oC). Prezintă fenomenul de îmbătrânire, au fragilitate ridicată la

temperatura ambiantă iar rezistivitatea lor variază mult cu temperatura.

6.5. Materiale semiconductoare

6.5.1. Germaniul

Germaniul este un element care face parte din grupa a patra a sistemului

periodic al elementelor (v. tabel 1.1), cu structură cristalină cubică tip diamant,

care are celula cub cu feţe centrate ce conţine în interior 4 atomi plasaţi astfel

încât fiecare atom este legat covalent de alţi patru atomi . (v. fig. 6.8) Acest tip de

structură conferă duritate ridicată datorită legăturilor puternice dintre atomi.

Germaniul se găseşte în scoarţa terestră în proporţie de 0,07%, sub formă

dispersă în unele minereuri complexe. Se obţine de obicei din produse secundare

rezultate la extragerea altor metale cum ar fi zincul, prin procese tehnologice

complexe de oxidare în urma cărora rezultă o materie primă ce conţine 10…20%

GeO2, ce se purifică prin clorurare, hidroliză, calcinare şi măcinare, rezultând

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

203

pulberea de dioxid de germaniu ce se reduce la temperaturi mai mici de 700oC.

Pulberea de germaniu astfel obţinută se topeşte şi se solidifică lent pentru

purificare suplimentară; gradul de puritate se apreciază pe baza valorii

rezistivităţii electrice ρ, considerându-se purificat de elemente active electric

atunci când ρ ≤ 0,5 Ωm. Germaniul policristalin se topeşte împreună cu

elementele de dopare în cantităţile corespunzătoare şi se obţine lingoul

monocristalin prin cristalizarea primară în condiţii de echilibru pornind de la un

germene monocristalin şi solidificare dirijată.

Fig. 6.8 Structura cristalină tip diamant

Proprietăţile intrinseci ale germaniului depind de gradul de puritate, de

temperatură, de prezenţa câmpului magnetic etc.; valorile principalelor

caracteristici sunt prezentate în tabelul 6.7. Tabelul 6.7. Principalele caracteristici ale germaniului şi siliciului

Caracteristica Germaniu Siliciu Densitatea , kg/m3 5330 2328,3 Temperatura de topire-solidificare, oC 937 1417 Temperatura de fierbere, oC 2700 2600 Căldura specifică, J/kg⋅K 756 309 Coeficientul de dilatare liniară, K-1 6,1⋅10-6 2,33⋅10-6 Conductivitatea termică, W/m⋅K 16,6 60 Rezistivitatea intrinsecă, Ωm 0,47 2500…3000 Lărgimea benzii interzise la 20oC, eV 0,665 1,105 Permitivitatea relativă 16,03 11,07 Mobilitatea electronilor la 20 oC, m2/Vs 0,39 0,145 Mobilitatea golurilor la 20 oC, m2/Vs 0,19 0,048

STIINTA MATERIALELOR

204

Rezistivitatea intrinsecă depinde de temperatura absolută T conform

relaţiei:

)3890exp(10256,0 6

Tt−⋅=ρ [Ωm]. (6.1)

Odată cu creşterea conţinutului de impurităţi rezistivitatea electrică la

aceeaşi temperatură scade, aşa cum se observă din figura 6.9.

La introducerea unui cristal de germaniu într-un câmp magnetic de

inducţie B, rezistivitatea sa variază conform relaţiei:

( )22330 108,31 BB µρρ −⋅+= [µΩm , (6.2)

unde µ este mobilitatea electronilor în m2/Vs, iar B este inducţia magnetică

în Wb/m2.

Germaniul se utilizează la fabricarea diodelor tunel, a tranzistoarelor , a

traductoarelor Hall, a detectoarelor de radiaţii, a traductoarelor pentru temperaturi

joase etc.

6.5.2. Siliciul Este cel mai utilizat material semiconductor; face parte din grupa a patra a

sistemului periodic şi cristalizează ca şi germaniul în sistemul cubic tip diamant.

Siliciul pur se obţine prin sinteza, purificarea înaltă şi descompunerea unor

compuşi cum sunt : silanul (SiH) şi triclorsilanul (SiHCl); materia primă o

constituie siliciul tehnic obţinut în cuptoare prin reducerea cuarţitei (SiO2 –

mineral extrem de răspândit în scoarţa terestră) cu cocs de petrol.

Obţinerea monocristalelor se realizează prin tehnologii speciale ce se

bazează în principiu pe asigurarea condiţiilor de cristalizare corespunzătoare

creşterii unui germene monocristalin. La obţinerea microprocesoarelor se aplică

şi tehnologii bazate pe depunerea directă din fază de vapori.

Valorile principalelor caracteristici ale siliciului sunt prezentate în tabelul

6.7 împreună cu cele ale germaniului. Analizând aceste caracteristici se constată

că siliciul are banda interzisă mai mare decât germaniul, ceea ce explică şi

rezistivitatea electrică intrinsecă mai mare; variaţia rezitivităţii electrice a

siliciului cu temperatura se produce conform relaţiei:

)6500exp(1096,0 6

Tt−⋅=ρ [Ωm]. (6.3)

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

205

Variaţia rezistivităţii electrice a germaniului şi a siliciului cu conţinutul de

impurităţi şi tipul de impurificator (acceptor sau donor, v. cap 4) este prezentată

în figura 6.9.

Fig. 6.9. Variaţia rezistivităţii semiconductorilor cu concentraţia impurităţilor

6.5.3 Seleniul Seleniul este un element care prezintă o varietate mare de forme alotropice

cristaline (monoclinic α, şi β, hexagonal γ, ) şi chiar amorfe (seleniu roşu, cafeniu,

negru, coloidal). Ca material semiconductor se utilizează seleniul hexagonal – γ,

obţinut prin încălzirea oricărei forme alotropice la 180…220 oC. Este stabil în aer,

nu reacţionează cu apa, dar reacţionează cu halogenii şi cu oxigenul la cald.

Conductivitatea sa electrică depinde de forma alotropică şi de gradul de

impurificare. Datorită fenomenului fotovoltaic pronunţat, se utilizează la

realizarea fotoelementelor.

6.5.4. Compuşi semiconductori Compuşii semiconductori se diferenţiază după grupele sistemului periodic

cărora aparţin componentele lor A şi B; principalele tipuri de compuşi

semiconductori sunt: compuşi AII-BVI şi compuşi AIII-BV.

Compuşii AII-BVI sunt combinaţii ale elementelor din subgrupele II B (Zn,

Cd, Hg) şi VI B (S, Se, Te) ale sistemului periodic. Cristalizează fie în sistem tip

STIINTA MATERIALELOR

206

blendă (ZnS) cubic, (v. fig.6.10a), care se deosebeşte de cea tip diamant prin

faptul că este formată din două specii atomice şi nu are un centru de simetrie, fie

în sistem hexagonal tip würtzită (v. fig. 6.10b), la care legătura dintre atomii

vecini este tot tetraedrică, diferenţele constatându-se numai la poziţiile atomilor

mai îndepărtaţi.

Fig. 6.10. Structuri cristaline tipice semiconductorilor AII-BVI:

a− structura tip blendă; b – structura tip würtzită

Din punct de vedere chimic compuşii AII-BVI sunt sulfuri, seleniuri sau

calcogenuri (telururi) de Zn ,Cd, Hg. etc. aşa cum rezultă din tabelul 6.8, în care

se prezintă principalele caracteristici ale acestora. Aceşti compuşi sunt activi

chimic, disociază la temperaturi înalte şi sunt atacţi de acizi.

Sub acţiunea radiaţiilor din spectrul vizibil sau al altor tipuri de radiaţii în

aceste materiale se produc fenomene de fluorescenţă (luminiscenţa care apare

imediat după acţiunea radiaţiei primare) sau fosforescenţă (luminiscenţa care

apare după un anumit timp (secunde, minute) de la acţiunea radiaţiei primare) în

funcţie de elementele cu care au fost dopate. Principalele elemente dopante

activatoare sunt: Cu, Ag, Au, iar coactivatoare (cele care introduc în banda

interzisă niveluri donoare) sunt : Al, Ga, In, F, Cl, Br.

Proprietăţile lor sunt influenţate de asemenea de câmpurile magnetice şi de

solicitările mecanice.

Semiconductorii de tipul AII-BVI sunt utilizaţi la fabricarea

fotorezistoarelor, generatoarelor Hall, traductoarelor de forţă etc.

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

207

Tabelul 6.8. Principalele caracteristici ale unor compuşi AII-BVI

Tipul semiconductorului Permitivitatea εr

Lăţimea benzii interzise wi, eV

Mobilitatea electronilor µe,

m2/V.s

Mobilitatea golurilor µg,

m2/V.s

ZnS 8,32 3,6 0,014 5·10-4 ZnSe 8,10 2,7 0,035 28·10-4 ZnTe 10,10 2,26 0,034 110·10-4 CdS 9,30 2,41 0,35 15·10-4 CdSe 9,63 1,67 0,065 98·10-4 CdTe 10,60 1,44 0,105 190·10-4

Compuşii semiconductori AIII-BV sunt compuşi definiţi ai elementelor

din subgrupele III B (bor, aluminiu, galiu, indiu) şi V B (azot, fosfor,arseniu,

stibiu, bismut) ale sistemului periodic (v. tabelul 1.1). Structura cristalină diferă

de la un compus la altul: fosfurile, antimoniurile (stibiurile) şi arseniurile de B, Al,

Ga şi In au reţea cristalină cubică tip blendă (v. fig. 6.10.a), iar nitrurile de Al şi In

au reţea cristalină hexagonală tip würtzită (v. fig. 6.10 b).

Proprietăţile acestor compuşi depind de natura lor chimică (v. tabelul 6.9),

de concentraţia impurităţilor şi de temperatură.

Tabelul 6.9. Principalele caracteristici ale unor compuşi AIII-BV

Tipul semiconductorului

Temperatura de topire, oC

Energia de activare la 20 oC,

eV

Mobilitatea electronilor µe,

m2/V.s

Mobilitatea golurilor µg,

m2/V.s

InSb 523 0,18 7,7 0,7 InAs 940 0,35 3,3 0,02 InP 1060 1,25 0,50 0,065

GaSb 720 0,70 0,85 0,14 GaAs 1250 1,40 10,88 0,04 AlSb 1070 1,65 0,006 0,06 Semiconductorii AIII-BV se utilizează la fabricarea diodelor tunel, a

tranzistoarelor, a microprocesoarelor, în optoelectronică etc.

STIINTA MATERIALELOR

208

Cuvinte cheie

alumel, 200 aluminiu

tehnic, rafinat electrolitic, extrapur, 195

aluminiu tehnic, 194 argentan, (alpaca), 201 bronzuri cu aluminiu, 193 bronzuri cu staniu, 191 bronzuri hipoeutectoide (bifazice), 192 bronzuri monofazice α, 192 călire de punere în soluţie,, 196 compuşi AII-BVI, 205 compuşi AIII-BV, 207 constantan, 200 contacte alunecătoare, 199 contacte electrice, 198

cromel, 200 duraluminiu, 197 eroziune, 198 filamente, 201 germaniu, 202 îmbătrânire, 197 manganine, 201 materiale metalografitice, 200 nicrom, 202 rezistivitatea intrinsecă, 203 seleniu, 205 siliciu, 204 silita, 202 silumin, 197 sinterizare, 199 termocuple, 200

Bibliografie

1. * * * Metals Handbook Ninth Edition, vol.9, American Society for Metals, Ohio, 1986

2. Braithwaite N, Weaver Gr., Electronics materials, Open University course, Butterworth Scientific Ltd., London, 1990

3. Cătuneanu M.V., ş.a., Materiale pentru electronică, E.D.P., Bucureşti, 1982

4. Cătuneanu M.V., Svasta I.P. ş.a., Tehnologie electronică, E.D.P., Bucureşti, 1984

5. Gâdea S., Petrescu M., Metalurgie fizică şi studiul metalelor, vol. II., Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981

6. Ifrim A., Noţingher P., Materiale electrotehnice, E.D.P., Bucureşti, 1992

7. Lakhtine I., Métallographie et traitements thermiques des métaux, Moscova, Mir, 1978

8. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers, Macmillan Publishing Company, New York, 1991

9. Smithells C., Metals. Reference book, vol. I, Butterworths Publications Ltd. & Interscience Publishers Inc., London & New York, 1955

10. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989.

11. Zecheru Gh. Drăghici Gh. Elemente de ştiinţa şi ingineria materialelor , vol. 1, Ed. ILEX şi Ed. UPG Ploiesti, 2001.

Capitolul 6 Materiale conductoare şi materiale semiconductoare

209

Teste de autoevaluare

T.6.1. Care dintre următoarele impurităţi prezente în cuprul tehnic

determină apariţia fenomenului numit „boala de hidrogen”: a) plumbul;

b) bismutul; c) oxigenul; d) sulful?

T.6.2. Care dintre următoarele aliaje pe bază de cupru au ca element de aliere

principal zincul: a) bronzurile; b) aliaje Kunial; c) aliaje Alpaca; d) alamele?

T.6.3. Care dintre următoarele tipuri de alame se pot prelucra prin

deformare plastică: a) alamele monofazice α; b) alamele bifazice; c) alamele

monofazice β’; d) tombacurile?

T.6.4. Care dintre următoarele caracteristici corespund alamei CuZn30: a)

este o alamă monofazică α; b) este o alamă binară deformabilă; c) este o alamă

specială deformabilă; d) este o alamă pentru turnare?

T.6.5. Care este structura de echilibru la ta a bronzurilor cu beriliu folosite

în tehnică: a) structură monofazică α ≡ Cu(Be); b) structură monofazică γ (fază

bertholidă pe baza compusului CuBe; c) structură bifazică, alcătuită din α şi γ;

d) structură alcătuită din constituienţi α (preeutectoid) şi eutectoidul (α+γ)?

T.6.6. Care dintre următoarele categorii de aliaje industriale Al − Cu se pot

supune durificării structurale prin călire de punere în soluţie şi îmbătrânire

naturală sau artificială: a) aliajele deformabile, având %Cum = 2...5 %; b) aliajele

de turnare cu %Cum ≤ 5,7 %; c) aliajele de turnare cu %Cum < 5,7 %; d) toate

categoriile de aliaje industriale?

T.6.7. Care dintre următoarele condiţii trebuie îndeplinite de un material

pentru contacte electrice: a) să aibă rezistenţă la coroziune; b) să aibă rezistenţă la

şoc termic; c) să aibă rezistenţă la sudare; d) să aibă conductibilitate termică

mare?

T.6.8. Un material pentru contacte electrice trebuie să aibă: a) rezistenţă la

eroziune electrică; b) rezistivitate electrică mare; c) rezistenţă la uzare;

d) plasticitate mare?

T.6.9. Cea mai mică rezistivitate electrică o au contactele electrice

realizate din: a) aliaj Ag-Ni 90/10; b) aur; c) argint; d) cupru?

T.6.10. Sinterizarea este: a) procedeu tehnologic de obţinere a pieselor

prin turnare de precizie; b) procedeu tehnologic de obţinere a pieselor prin presare

STIINTA MATERIALELOR

210

şi sinteză chimică; c) procedeu tehnologic de obţinere a pieselor prin presare şi

încălzire simultană a componentelor sub formă de pulberi; d) procedeu tehnologic

de obţinere a pieselor prin electroliză.

T.6.11. Care dintre următoarele materiale pentru contacte se obţin prin

sinterizare: a) Ag-Cu; b) Ag-Ni; c) W-Cu; d) Cu-Ni ?

T.6.12. Termocuplurile Pt-PtRh se folsesc pentru: a) temperaturi foarte

scăzute: b) temperaturi în domeniul –100…+700 oC; c) temperaturi în domeniul

0…+1600 oC; d) temperaturi în domeniul +100…+2000 oC ?

T.6.13. Care dintre următoarele metale se folosesc pentru filamente şi

rezistenţe de încălzire: a) wolframul; b) zirconiul; c) niobiul; d) tantalul?

T.6.14. Care dintre următoarele aliaje se folosesc pentru rezistenţe de

încălzire: a) Cu-Zn-Ag; b) Ni-Cr (nicrom); c) Fe-Cr-Al; d) W-Cu?

T.6.15. Germaniul are structura cristalină: a) hexagonal compactă; b) cub

cu volum centrat; c) cubică tip diamant; d) cubică tip blendă (ZnS)?

T.6.16. Siliciul semiconductor se obţine prin: a) topirea şi purificarea

termică a minereurilor; b) purificarea şi descompunerea unor compuşi ai siliciului

cu hidrogenul şi cu clorul (SiH, SiHCl), c) electroliza siliciului tehnic obţinut în

cuptoare prin reducerea SiO2 cu cocs; d) sinterizarea pulberii de Si natural ?

T.6.17. Care dintre următoarele tipuri de compuşi sunt semiconductori:

a) compuşi AII-BVI; b) compuşi AIII-BV; c) compuşi AII-BV; d) compuşi AIII-BVI?


Recommended