1. Materiale electrotehnice noi
Materiale semiconductoare noi
Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, , master IPE, anul I Prof.dr.ing.Florin Ciuprina

2. Structura disciplinei
Materiale semiconductoare noi
Structura disciplinei
Capitolul
Conţinutul 1
Fenomene in materialele electrotehnice
1.1. Conductia electrica
1.2. Polarizarea electrica
1.3. Magnetizarea materialelor
1.4. Pierderi in materialele electrotehnice 2
Materiale conductoare noi
2.1. Materiale conductoare clasice
2.2. Materiale supraconductoare
2.3. Conductori organici si nanotuburi de carbon
2.4. Materiale pentru realizarea de memristori
2.5. Aplicatii moderne ale materialelor conductoare 3
Materiale semiconductoare noi
3.1. Materiale semiconductoare clasice
3.2. Polimeri semiconductori
3.3. Materiale semiconductoare nanostructurate
3.4. Aplicatii moderne (celule solare, microprocesoare de inalta frecventa, ecrane TV, laseri) 4
Materiale dielectrice noi
4.1. Evolutia materialelor dielectrice
4.2. Straturi subtiri
4.3. Nanodielectrici
4.4. Oxizi metalici
4.5. Aplicatii 5
Materiale magnetice noi
5.1. Evolutia materialelor magnetice
5.2. Materiale magnetice amorfe
5.3. Materiale magnetice nanostructurate (nanocristaline, organice)
5.4. Fire si filme subtiri din materiale magnetice
5.5. Aplicatii moderne (miezuri magnetice, memorii, hard-discuri, carduri magnetice)

3. Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare clasice
Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare nanostructurate
Aplicatii moderne

4. Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare clasice
Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare nanostructurate
Aplicatii moderne

5. Materiale semiconductoare clasice
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare clasice
Siliciu (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

6. Materiale semiconductoare clasice
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare clasice
Germaniu (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

7. Materiale semiconductoare clasice
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare clasice
Seleniu (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

8. Materiale semiconductoare clasice
Materiale semiconductoare noi
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.

9. Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare clasice
Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare nanostructurate
Aplicatii moderne

10. Polimeri conductori Polimerii dupa anii ’70: ieftini,
Materiale semiconductoare noi
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.

11. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conditii 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

12. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Structuri uzuale:
Polyethylenedioxythiophene
(PEDOT)
Polyphenylene vinylene
(PPV)
Polydialkylfluorene

13. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conductia electrica:
deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni, polaroni, bipolaroni) create prin dopare
transferul intermolecular al sarcinilor electrice prin “intersoliton hopping”

14. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conductia electrica:
deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni, polaroni, bipolaroni) create prin dopare

15. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conductia electrica:
deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni, polaroni, bipolaroni) create prin dopare
Formarea si deplasarea
unui polaron in poliacetilena

16. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conductia electrica:
deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni, polaroni, bipolaroni) create prin dopare

17. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Conductia electrica:
deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni, 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.

18. Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Polimeri semiconductori
Controlul dopajului:

19. Aplicatii ale polimerilor semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii ale polimerilor semiconductori
Tranzistoare cu efect de camp – FET
poli(o-metoxianilina) - POMA

20. Aplicatii ale polimerilor semiconductori
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii ale polimerilor semiconductori
Polimer LED - PLED

21. Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare clasice
Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare nanostructurate
Aplicatii moderne

22. Materiale semiconductoare nanostructurate
Materiale semiconductoare noi
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.

23. Materiale semiconductoare nanostructurate
Materiale semiconductoare noi
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

24. Materiale semiconductoare nanostructurate
Materiale semiconductoare noi
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

25. Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare noi
Materiale semiconductoare
Materiale semiconductoare clasice
Polimeri semiconductori
Materiale semiconductoare nanostructurate
Aplicatii moderne

26. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
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

27. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Ecrane cu cristale lichide (LCD)
folosesc cristale lichide cu structuri nematic rasucite TN (twisted nematic)

28. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Ecrane cu cristale lichide (LCD)
cu matrice activa (tehnologie TFT)
cu matrice pasiva

29. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Caracteristici:
lumina monocromatica
lumina unidirectionala
lumina coerenta (“organizata”)

30. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
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.

31. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

32. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

33. Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Materiale semiconductoare noi
Aplicatii moderne ale semiconductorilor
Laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
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.