Materiale electrotehnice noi

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2009-2010, master IPE, anul I Prof.dr.ing.Florin Ciuprina

Materiale electrotehnice noi

Materiale semiconductoare noi

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2009-2010, master IPE, anul I


Structura disciplineiCapitolul Conţinutul

1 Fenomene in materialele electrotehnice1.1. Conductia electrica1.2. Polarizarea electrica1.3. Magnetizarea materialelor1.4. Pierderi in materialele electrotehnice

2 Materiale conductoare noi2.1. Materiale conductoare clasice2.2. Materiale supraconductoare2.3. Conductori organici si nanotuburi de carbon2.4. Materiale pentru realizarea de memristori2.5. Aplicatii moderne ale materialelor conductoare

3 Materiale semiconductoare noi3.1. Materiale semiconductoare clasice3.2. Polimeri semiconductori3.3. Materiale semiconductoare nanostructurate3.4. Aplicatii moderne (celule solare, microprocesoare de inalta frecventa, ecrane TV, laseri)

4 Materiale dielectrice noi4.1. Evolutia materialelor dielectrice4.2. Straturi subtiri4.3. Nanodielectrici4.4. Oxizi metalici4.5. Aplicatii

5 Materiale magnetice noi5.1. Evolutia materialelor magnetice5.2. Materiale magnetice amorfe5.3. Materiale magnetice nanostructurate (nanocristaline, organice)5.4. Fire si filme subtiri din materiale magnetice5.5. Aplicatii moderne (miezuri magnetice, memorii, hard-discuri, carduri magnetice)



Materiale semiconductoare

Materiale semiconductoare clasice Polimeri semiconductori Materiale semiconductoare nanostructurate Aplicatii moderne



Materiale semiconductoare clasiceSiliciu (Si) cristalizeaza in retea de

tip diamant

utilizari: circuite integrate diode tiristoare tranzistoare baterii solare traductoare Hall

Caracteristica Si

Permitivitatea relativa 11

Rezistivitatea intrinseca la 300 K [Ωm] (2,5-3)103

Largimea benzii interzise Fermi la 300 K [eV] 1,105

Mobilitatea electronilor la 300 K [m2/(Vs)] 0,145

Mobilitatea golurilor la 300 K [m2/(Vs)] 0,048



Materiale semiconductoare clasiceGermaniu (Ge) cristalizeaza in retea de

tip diamant

utilizari: diode tunel tranzistoare detectoare de radiatii traductoare Hall termometre pentru

temperaturi joase

Caracteristica Ge

Permitivitatea relativa 16

Rezistivitatea intrinseca la 300 K [Ωm] 0,47

Largimea benzii interzise Fermi la 300 K [eV] 0,665

Mobilitatea electronilor la 300 K [m2/(Vs)] 0,39

Mobilitatea golurilor la 300 K [m2/(Vs)] 0,19



Materiale semiconductoare clasiceSeleniu (Si) prezinta o mare varietate de stari alotropice:

sticlos, amorf, cristalin utilizari: fotoelemente, redresoare etc.

Carbura de siliciu (SiC) prezinta o mare varietate de politipuri cristaline utilizari: varistoare si dispozitive de mare putere,

rezistente la radiatii, care lucreaza la frecvente si temperaturi mari



Materiale semiconductoare clasice

Compusi semiconductori AII - BVI

ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe utilizari: fotorezistoare, generatoare Hall, traductoare de presiune etc.

Compusi semiconductori AIII - BV

InSb, InAs, InP, GaSb, GaAs, AlSb utilizari: diode tunel, tranzistoare, in optoelectronica etc.



Polimeri conductori

Polimerii dupa anii ’70: ieftini, rezistenta mecanica foarte buna, flexibili izolatori electrici (σ < 10-7 S/m) prin dopare unii polimeri pot deveni conductori

sau semiconductori.



Polimeri semiconductoriConditii de obtinere:

Polimer realizat prin alternarea de legaturi simple si legaturi duble (conjugate) = polimer conjugat

Perturbarea polimerului conjugat prin dopare: extragere de electroni (oxidare)

dopanti acceptori (tip p): I2, PF6, BF6, Cl, AsF6

introducere de electroni (reducere) dopanti donori (tip n): Na, K, Li, Ca



Polimeri semiconductoriStructuri uzuale:

Polyethylenedioxythiophene (PEDOT)

Polyphenylene vinylene (PPV)

Polydialkylfluorene



Polimeri semiconductoriConductia electrica: deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni,

polaroni, bipolaroni) create prin dopare transferul intermolecular al sarcinilor electrice prin

“intersoliton hopping”




polaroni, bipolaroni) create prin dopare





Formarea si deplasarea unui polaron in poliacetilena




polaroni, bipolaroni) create prin dopare transferul intermolecular al sarcinilor electrice prin

“intersoliton hopping”

Intersoliton hopping: solitoni incarcati su sarcina (jos) sunt fixati de catre ionii dopantului, in timp ce solitonii neutri (sus) se misca liber. Un soliton neutru de pe un lant apropiat de un lant cu un soliton incarcat cu sarcina pot interactiona si electronul solitonului neutru sare dintr-un defect in altul.



Polimeri semiconductoriControlul dopajului:



Aplicatii ale polimerilor semiconductoriTranzistoare cu efect de camp – FET

poli(o-metoxianilina) - POMA



Aplicatii ale polimerilor semiconductoriPolimer LED - PLED



Materiale semiconductoare nanostructurate Filme din siliciu policristalin (poly-Si)

metoda de fabricatie: depunere chimica de vapori la presiune scazuta si temperaturi de peste 600 °C, utilizand silan ca gas precursor.

avantaje fata de Si monocristalin: mobilitatea purtatorilor este cu cateva ordine de marime mai mare, are stabilitate mai mare sub actiunea solicitarilor campului electric si a luminii.

utilizari: celule solare pentru panouri solare de, circuite integrate la scara mare, MEMS, tranzistoare TFT etc.



Materiale semiconductoare nanostructurate Filme nanostructurate din

oxizi metalici (TiO2, SnO2, ZnO)

metoda de obtinere: prin hidroliza controlata din suspensii coloidale preformate

utilizari: senzori de gaz, celule fotovoltaice



Materiale semiconductoare nanostructurate Filme din oxizi metalici

modificate cu produsi semiconductori AII – BVI (CdSe, CdS, CdTe)

metoda de obtinere: prin precipitare chimica a produsilor AII – BVI direct pe substrat, si absorbtia selectiva a ionilor din solutie.

utilizari: LED-uri, microelectronica



Aplicatii moderne ale semiconductorilor

Ecrane cu cristale lichide (LCD) Cristale lichide (faze mezomorfe, mezofaze): materiale care

pot sa curga ca un lichid, dar ale caror molecule pot fi orientate ca intr-un cristal;

Materiale: compusi organici (cianobifenil), compounduri polimerice etc.

Mezofaze: nematice, smectice, chiralice, albastre.

cianobifenil



Aplicatii moderne ale semiconductorilorEcrane cu cristale lichide (LCD) folosesc cristale lichide cu structuri nematic rasucite TN

(twisted nematic)



Aplicatii moderne ale semiconductorilorEcrane cu cristale lichide (LCD)

cu matrice pasiva

cu matrice activa (tehnologie TFT)



Aplicatii moderne ale semiconductorilorLaseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Caracteristici: lumina monocromatica lumina unidirectionala lumina coerenta (“organizata”)




Tipuri: Solid-state lasers have lasing material distributed in a solid matrix (such as the ruby or

neodymium:yttrium-aluminum garnet "Yag" lasers). The neodymium-Yag laser emits infrared light at 1,064 nanometers (nm). A nanometer is 1x10-9 meters.

Gas lasers (helium and helium-neon, HeNe, are the most common gas lasers) have a primary output of visible red light. CO2 lasers emit energy in the far-infrared, and are used for cutting hard materials.

Excimer lasers (the name is derived from the terms excited and dimers) use reactive gases, such as chlorine and fluorine, mixed with inert gases such as argon, krypton or xenon. When electrically stimulated, a pseudo molecule (dimer) is produced. When lased, the dimer produces light in the ultraviolet range.

Dye lasers use complex organic dyes, such as rhodamine 6G, in liquid solution or suspension as lasing media. They are tunable over a broad range of wavelengths.

Semiconductor lasers, sometimes called diode lasers, are not solid-state lasers. These electronic devices are generally very small and use low power. They may be built into larger arrays, such as the writing source in some laser printers or CD players.




Tipuri: Medicine: Bloodless surgery, laser healing, surgical treatment, kidney stone

treatment, eye treatment, dentistry Industry: Cutting, welding, material heat treatment, marking parts Defense: Marking targets, guiding munitions, missile defence, electro-optical

countermeasures (EOCM), alternative to radar, blinding enemy troops. Research: Spectroscopy, laser ablation, laser annealing, laser scattering, laser

interferometry, LIDAR, laser capture microdissection Product development/commercial: laser printers, CDs, barcode scanners,

thermometers, laser pointers, holograms, bubblegrams. Laser lighting displays: Laser light shows Laser skin procedures such as acne treatment, cellulite reduction, and hair

removal.

Materiale electrotehnice noi

Documents

Transcript of Materiale electrotehnice noi