1.GENERALITĂŢI.Ştiinţa Materialelor studiază structura şi proprietăţile metalelor şi

aliajelor, stabileşte legături între compoziţie, structură şi proprietăţi, elaborează tehnologii de modificare a acestor proprietăţi.

În natură, pot fi identificate opt categorii de materiale:1) metale2) semiconductori3) dielectrici4) ceramice5) sticle6) polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase plastice)7) substanţe naturale (piatră, lemn, fibre, piei, etc.)8) compozite (materiale compuse din două sau mai multe materiale din cele şapte tipuri precedente)

Elementele sistemului periodic se clasifică în mod covenţional în metale şi nemetale. Proprietăţile structurale şi fizico-chimice variabile permit clasificarea elementelor sistemului periodic după criterii diferite.

Metalele reprezintă 82 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent. Siliciul (Si), germaniul (Ge), arseniul (As), seleniul (Se), telurul (Te) sunt considerate elemente chimice intermediare metalelor şi nemetalelor, numite adesea semimetale. Toate elementele dispuse în stânga liniei imaginare trasată între bor şi astatin (de la nr. 5 până la nr. 85) sunt considerate metale, iar cele dispuse în dreapta acestei linii sunt nemetale.

Sistemul periodic al elementelor chimicehttp://www.freshney.org

Toate proprietăţile caracteristice metalelor sunt specifice pentru stările de agregare solidă şi lichidă, deoarece în aceste condiţii între atomii metalelor se manifestă legături metalice. In starea gazoasă metalele nu se deosebesc de nemetale.Cele mai reprezentative proprietăţi ale metalelor sunt: tendinţa de a forma reţele cristaline compacte; proprietăţi optice specifice (opacitate, luciu metalic, culoare); conductivitate termică şi electrică ridicată; insolubilitate în dizolvanţi comuni (se dizolvă numai în metale cu formare de aliaje).

Conductivitatea electrică este proprietatea materialelor de a conduce curentul electric.În tehnică se utilizează proprietatea inversă, rezistivitatea electrică(proprietatea prin care materialele se opun trecerii curentului electric).

Rezistivitatea electrică este mărimea fizică care exprimă rezistenţa electrică a unui conductor cu lungimea de 1 cm şi aria secţiunii de 1 cm2.Rezistivitatea electrică se exprimă in Ω∙cm.

În funcţie de mărimea rezistivităţii electrice, la temperatura mediului ambiant,materialele se clasifică astfel:

1. materiale conductoare(substanţe).2. materiale semiconductoare.3. materiale izolatoare(dielectrice).

MATERIALE

Grupa materialelor conductoare cuprinde materialele metalice, soluţii şi săruri nemetalice.Grupa materialelor semiconductoare şi a materialelor izolatoare cuprinde materialele nemetalice.

2.STRUCTURA.PROPRIETĂŢI.Materialele semiconductoare, la temperatura mediului ambiant,

sunt rău conducătoare de electricitate.În anumite condiţii mecanice,termice sau chimice devin conducătoare de electricitate.

Se cunosc nouă elemente chimice cu proprietăţi de semiconductor:borul,carbonul(diamantul), siliciul, germaniul, staniul cenuşiu, fosforul, arsenul, seleniul şi telurul.Combinaţiile chimice anorganice cu proprietăţi semiconductoare se numesc compuşi semiconductori.

Elementele semiconductoare din subgrupa a IV-a(C, Si, Ge, Sn) au o reţea cristalină complexă tip diamant.

Arsen(As) Carbon(C)

Siliciu(Si) Fosfor(P)

MATERIALE SEMICON-DUCTOARE

MATERIALE IZOLA-TOARE

MATERIALE CONDUC-TOARE

Rezistivitatea elec-trică

ρ=10-6 -10-4 Ω∙cm

Rezistivitatea elec-trică

ρ=10-3 -10-2 Ω∙cm

Rezistivitatea elec-trică

ρ=108 -1020 Ω∙cm

Staniu(Sn) Germaniu(Ge)

Bor(B) Seleniu(Se)

Telur(Te)În această reţea, fiecare atom este înconjurat de alţi patru atomi

plasaţi în vârfurile unui tetraedru regulat.Legătura între atomul central şi atomii din vârfurile tetraedrului este o legătură covalentă(legătură prin perechi de electroni de valenţă).

Fig.2.1.Siliciu-structura cristalina Fig.2.2.Electronii de

valenţă(Si)

Fig.2.3.Legătura covalentăProprietăţile electrice ale materialelor semiconductoare sunt

influenţate de prezenţa impurităţilor.Impurificarea poate fi realizată cu elemente chimice pentavalente(As,Sb, P) sau cu elemente chimice trivalente(B, Ga, Al).

3.MATERIALELE SEMICONDUCTOARE.

Fig.3.1.Semiconductor tip n.

Electronii de valenţă formează legături covalente, dar numai la temperaturi joase, când siliciul este izolator perfect. La temperaturi normale, unii electroni părăsesc legăturile şi devin electroni de conductivi-tate. Creşterea temperaturii deter-mină un număr mai mare de electroni să părăsească legă-turile. Semiconductoarele la tempe-raturi joase au caracter electro-izolant, iar la temperaturi ridi-cate devin conductoare.

Arseniul oferă pentru legăturile covalente cu atomii de siliciu, cinci electroni de valenţă.Un elec-tron rămâne liber, devenind elec-tron de conductivitate. Arseniul, ca impuritate este donor, iar semiconductorul prin care se deplasează electronii liberi, se numeşte semiconductor de tip n(cu sarcini electrice mo-bile negative-electronii).

Fig.3.2.Semiconductor tip p.

Compuşii semiconductori au structuri cristaline şi legături covalente.

Semiconductoarele se fabrică prin procedee de sinteză şi purificare, prin care se obţin monocristale.

4.APLICAŢII TEHNICE.Materialele semiconductoare , în funcţie de unii factori

externi(temperatura, lumina, câmpul electric, câmpul magnetic) îşi pot modifica proprietăţile electrice.

Varistoarele sunt componente electronice realizate din materiale semi-conductoare la care variaţia tensiunii cu intensitatea electrică nu este liniară.În cazul tiritului, la creşterea tensiunii electrice peste o anumită limită, scade brusc rezistivitatea electrică a componentei electronice.Tiritul se utilizează pentru protecţia liniilor de înaltă tensiune, în cazul unor descărcări electrice(fulgere).

La tensiune normală, rezistenţa tiritului este mare, pierderile de curent fiind foarte mici.La supratensiuni(descărcări electrice), rezistenţa electrică scade brusc, iar surplusul de energie electrică se scurge în sol.

Fig.4.1.Varistoare

Aluminiul oferă pentru legăturile covalente trei electroni de valenţă.Golul electronic este ocupat de un electron al unei alte legături covalente. Are loc o deplasare a golului electropozitiv prin materialul semiconductor.Se creează o de-plasare de goluri electropozitive, generând un curent electric. Aluminiul, ca impuritate, este acceptor, iar semiconductorul prin care se deplasează golurile se numeste semiconductor de tip p.

Termistoarele sunt componente electronice c are, la creşterea temperaturii îşi micşorează rezistivitatea electrică.Se utilizează pentru limitatoare de temperatura, sisteme de alarmă .Termistoarele au la bază oxizi metalici(CuO2, ZnO, MgO).

Fig.4.2.TermistoareFotorezistenţele sunt componente electronice care, sub

influenţa luminii, devin bune conducătoare de electricitate(se micşorează rezistivitatea electrică).Sunt sensibile la lumina verde(CdS), la lumina roşie(CdSe, CdTe), la radiaţii infraroşii(PbSe, Pb,Te).

Se utilizează în cinematografie, televiziune, la instalaţii de alarmă.

Fig.4.3.FotorezistenţeDiodele semiconductoare înlocuiesc diodele clasice(tuburile

electronice), fiind utilizate la instalaţii electronice(radiofonie,televiziune, calculatoare).

Diodele redresoare se utilizează pentru transformarea curentului alternativ în curent continuu(punţi redresoare).Aceste componente electronice au la bază germaniu sau siliciu impurificate cu elemente chimice pentavalente sau trivalente.

Fig.4.4.Diode semiconductoareTranzistoarele sunt componente electronice care permit

amplificarea curentului electric.Ele sunt cu joncţiune p-n-p sau n-p-n.Se utilizează pentru echipamente electronice în televiziune, radiofonie, calculatoare, instalaţii electrice auto, etc.

Fig.4.5.Tranzistoare5.MATERIALE PIEZOELECTRICE.

Materialele piezoelectrice au proprietatea de a genera sarcini electrice sub acţiunea forţelor mecanice sau de a se deforma elastic sub influenţa acţiunii unor câmpuri electrice.Proprietatea este specifică unor substanţe cristaline solide: cuarţul,turmalina, titanatul de bariu, sarea de Seignette.

Fig.5.1.Cuarţ

Dacă un cristal de cuarţ este solicitat mecanic pe direcţia unei axe electrice,pe feţele perpendiculare acestei axe apar sarcini electrice de semn contrar (diferenţă de potenţial electric).Invers, aplicarea unui câmp electric provoacă deformarea cristalului(contracţie sau lungire).

Aceste efect(efectul piezoelectric) se utilizează pentru măsurarea presiunilor, fabricarea materialelor ceramice.

6.DICŢIONAR TEHNIC.

7.TESTUL DE EVALUARE

8.LUCRAREA DE LABORATOR

MATERIALE SEMICONDUCTOARE (WORD) Test de evaluare

MATERIALE SEMICONDUCTOARE (PDF)Test de evaluare

MATERIALE SEMICONDUCTOARE Lucrare de laborator

MATERIALE SEMICONDUCTOARE (QUIZ)Test de evaluare

Dielectric-care izoleaza din punct de vedere elec-tric; izolator.Polimer-este o substanță compusă din molecule cu masă moleculară mare, formate dintr-un număr mare de molecule mici identice, numite monomeri.Reţea cristalină-aranjament geometri spaţial con-stituit din celule elementare.Stare de agregare-o formă a materiei caracteri-zată prin anumite proprietăți fizice calitative.Atom-cea mai mică parte dintr-un element chimic formată din nucleu și electroni.

9.ANEXE

http://www.4shared.com

10.STANDARDE de PREGĂTIREPROFESIONALĂ

Site-ul de mai jos permite utilizarea Auxiliarelor curriculare elabo-rate prin programul PHARE.

http://www.edu.ro

http://www.didactic.ro/

http://tvet.ro

http://class10c.wikispaces.com

tanaviosoft@yahoo.com

http://tvet.ro

BIBLIOGRAFIE1. Materiale pentru construcţii de maşini - prof. dr. ing. Nicolae

PopescuEditura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1990

2. http://www.freshney.org

3. http://www.google.com

4. http://tvet.ro

5. http://www.didactic.ro