Materiales

• APROXIMACIÓN A LOS METAMATERIALES

Son estructuras artificiales que pueden ser diseñadas para pesentar propiedades electromagnéticas especiales y que no son fáciles de encontrar en la naturaleza, es decir, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquel que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima es menor que la longitud de onda con la que se vaya a trabajar.

Los Metamateriales dan lugar a fenómenos físicos extraordinarios como son:

1) Inversión de las Leyes de Snell, que no es más que el rayo de la luz incidente no se refracta, como ocurre con la propia luz y por tanto se produce una inversión negativa en la interfase.

2) Intercambio de los efectos en lentes convexas y cóncavas.

3) Inversión del efecto doppler.

4) Permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativa. En los materiales convencionales estas dos características del electromagnetismo son magnitudes positivas.

Este tipo de estructuras son materiales artificiales electromagnéticos y funcionales basados en estructuras periódicas y creadas para cumplir determinados requisitos.

• APLICACIONES

La tendencia en la aplicación de estos materiales está dirigida a la construcción de antenas y fabricación de elementos, sistemas o aparatos ópticos. Los Metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Ellos presentan un considerable potencial para una gran variedad de aplicaciones ópticas y de microondas tales como nuevos tipos de sistemas moduladores, banda de filtros de transición, lentes, acopladores de microondas, y antenas aleatorias. En la Figura a continuación se observa un esquema de las aplicaciones potenciales en estas áreas.

• VENTAJAS FRENTE A LAS ALTERNATIVAS TRADICIONALES

Las principales ventajas de los metamateriales son:

a. Tienen propiedades que no se encuentran en materiales presentes en la naturaleza.

b. Como el índice de refracción de luz del metamaterial resulta ser negativo, mientras que sus constituyentes tienen un índice positivo, se pueden fabricar lentes planas con un resolución mucho mayor que la de los materiales convencionales con índices de refracción positivos.

c. Con el uso de metamateriales se puede lograr que la luz rodee objetos que estén en su camino, regresando finalmente a su trayectoria original sin ser alterada. Con esta propiedad de los metamateriales pueden diseñarse, en principio, dispositivos de “invisibilidad”.

d. Otro tipo de metamateriales son las heteroestructuras ordenadas fabricadas con materiales de propiedades acústicas distintas. Estos metamateriales acústicos o también conocidos como fonónicos, pueden poseer simultáneamente densidad y modulo de volumen efectivos de signo negativo, en contraste con los materiales naturales cuya densidad y modulo de volumen nunca son negativos.

• DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES EN MICROONDAS

Casi todos los circuitos de microondas y radiofrecuencia utilizan alguno de estos tres dispositivos: diodos de barrera Schottky, transistores de unión p-n o transistores de efecto de campo (FETs). Dentro de esta amplia gama hay varios tipos de dispositivos: gran variedad de diodos de barrera Schottky, transistores de unión bipolar (BJTs), de heterounión bipolar (HBTs), FETs con epitaxia metal semiconductor (MESFET), transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs), transistores metal-óxido-semiconductor (MOSFET) y transistores de unión FET (JFET). El presente capítulo aporta una descripción del modelo de los anteriores dispositivos en alta frecuencia.

• INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO

 La mayor parte de los dispositivos de microondas y de RF se diseñan en base a: diodos de barrera Schottky, transistores bipolares y transistores de efecto de campo FET.

 Nomenclatura:

– Dispositivos activos basados en transistores, FET o bipolares.

– Dispositivos pasivos basados en diodos.

 De modo general se pueden tomar los siguientes dispositivos y aplicaciones:

– Diodo Schottky: mezcladores, multiplicadores de frecuencia, moduladores

– Diodos varáctores: VCOs, multiplicadores de frecuencia

– Transistores bipolares (BJT): amplificadores de pequeña señal (no de bajo ruido)

– Transistores bipolares de “heterounión” (HBT): amplificadores de potencia, osciladores de bajo ruido

– Transistores de efecto de campo (JFET): amplificadores de bajo ruido, mezcladores, osciladores y conmutadores.

– MESFET: amplificadores de bajo ruido, mezcladores, multiplicadores, y osciladores.

– HEMT (high electron mobility transistor): igual que el FET con un mayor margen de frecuencias.

• CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

 Las características van relacionadas con propiedades como: concentración intrínseca de portadores, movilidad de portadores y propiedades térmicas.

 Concentración intrínseca de portadores:

– Interesa que no sea muy elevada por dos razones:

 Tener mayor control sobre la concentración de impurezas.

 Para tener un grado de aislamiento importante entre materiales distintos: σ=q(μnn+μpp)

 Resulta ventajoso el AsGa frente al Si

 Movilidad de portadores: capacidad para transportar corriente.

– En aplicaciones de alta frecuencia interesa alta movilidad (mejor AsGa que Si)

– También es conveniente diseñar dispositivos con portadores mayoritarios electrones

 Efectos térmicos:

– A mayor ancho de banda prohibida menores efectos térmicos (mejor AsGa que Si).

 Germanio:

– Prácticamente abandonado.

– La anchura del gap es menor que en el Si

– Concentración de portadores mayor que el Si

– Es complicada su utilización en alta frecuencia (aunque la μ sea mayor que el Si)

 Silicio (muy abundante, lo que ha desarrollado una tecnología de Si):

– Ancho del gap importante

– Buena conductividad térmica y baja concentración intrínseca

– Soporta campos de ruptura mayores que el Ge

 AsGa

– Concentración intrínseca más baja que el Si y mayor movilidad de electrones.

– Menor dependencia con la temperatura

– Tecnología más compleja y de mayor coste. Comportamiento deficiente en alta potencia.

 PI

– Características importantes en alta frecuencia pero todavía no están explotadas.

Materiales magnéticos

• Tipos de materiales magnéticos

 Diamagnéticos: Sus momentos magnéticos netos orbitales y de spin son nulos:

 Poseen un número par de electrones.

 La susceptibilidad magnética, χ toma valores negativos (del orden de 10-5).

 Entre este tipo de materiales se encuentran: cobre, plata, oro, silicio, etc.

• Paramagnéticos: En átomos que poseen un número impar de electrones, predominan los efectos magnéticos asociados al momento de spin resultante.

 La susceptibilidad χ es positiva (del orden de 10-3).

• Ferromagnéticos: Existen materiales que, con un número impar de electrones, poseen fuerte interacción entre los momentos resultantes de spin de átomos próximos.

 Ello crea una tendencia a la alineación de los momentos en cierta región o dominio (dominio de Weiss).

 La susceptibilidad χ es muy grande y positiva a temperatura ambiente (del orden de 10+4 o 10+5).

• Antiferromagnéticos y ferrimagnéticos: En otros cuerpos, también con número impar de electrones, la interacción entre los momentos de spin de átomos próximos, en ausencia de campo magnético, tiende a orientar la mitad de los momentos de spin en un sentido, y la otra mitad en sentido contrario; todo ello dentro de cada dominio de Weiss.

 El momento magnético resultante tiende a anularse, pero solo se cancelará si la magnitud de los momentos antiparalelos es la misma, este es el caso de los materiales antiferromagnéticos.

 En cambio, quedará una magnetización residual en el dominio, si dichas magnitudes son distintas: es el caso de los ferrimagnéticos.

Materiales ferrimagnéticos

• Su nombre común es ferritas.

• El término ferrita proviene de la palabra latina ferrum cuyo significado es hierro.

• Las ferritas son materiales óxidos magnéticos de baja conductividad eléctrica cuyo principal constituyente es el hierro y cuyos átomos forman una estructura cristalina que les dota de propiedades de anisotropía en su permeabilidad magnética.

• Puede decirse que tienen alguna similitud con los ferromagnéticos, al poseer una magnetización neta en los dominios, M0 (magnetización de saturación) en ausencia de campo magnético, aunque debida a un mecanismo diferente.

• Esta magnetización neta desaparece por encima de una temperatura crítica o punto de Curie (200 a 500 º C), a partir de la cual el material se comporta como paramagnético.

• Si se aplica un campo externo de intensidad suficiente, los momentos magnéticos de los diferentes dominios se alinean y las paredes de Bloch se desplazan. Durante esta alineación, los spines de los electrones realizan un movimiento llamado de precesión alrededor del campo magnético aplicado. Cuando finaliza este movimiento, los dominios están orientados en la dirección

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