aula 10

Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
Visão Geral
Geral sobre
sobre Propriedades
Propriedades Físicas
Físicas ee
Visão
Aplicações de
de Materiais:
Materiais: metais,
metais, polímeros,
polímeros,
Aplicações
cerâmicas ee vidros,
vidros, semicondutores,
semicondutores, compósitos
compósitos
cerâmicas
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Semicondutores
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Par elétron-buraco
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T => 0 K
Condutividade elétrica não tão alta
quanto à dos metais.
Banda de
condução vazia
Banda de
valência
preenchida
-
+
Propriedades elétricas extremamente
sensíveis à presença de impurezas mesmo em
concentrações ínfimas.
σ =σelétrons + σburacos
Semicondutor intrínseco tem suas
características determinadas pela estrutura
eletrônica do metal puro
Semicondutor extrínseco tem suas
propriedades elétricas ditadas pelas impurezas
σ =n e µe + p e µb
n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3
µe (µb) = mobilidade de elétrons
(buracos)
n=p
para semicondutores intrínsecos,
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Semicondutores intrínsecos
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
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Material Gap (eV) σ (Ω-m)-1 µe (m2/V-s) µb (m2/V-s)
Si
1,11
4x10-4
0,14
0,05
Ge
0,67
2,2
0,38
0,18
GaP
2,25
-
0,05
0,002
GaAs
1,42
10-6
0,85
0,45
InSb
0,17
2x104
7,7
0,07
III-V
4+
Si ⇒ P
5+
Elétron excedente
fracamente ligado
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
⇒
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
=
II-VI
CdS
2,4
-
0,03
-
ZnTe
2,26
-
0,03
0,01
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
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Energia
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
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Elétron livre na
banda de condução
⇒
Estado doador
n » p ⇒ σ≈ n e µe
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Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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4+
3+
Si ⇒ B
Buraco na camada
de valência
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
⇒
Si
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
=
Estado receptor
⇒
Energia
Buraco na camada
de valência
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Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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p » n ⇒ σ≈ p e µb
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Efeito da temperatura sobre a condutividade
e a concentração dos portadores de carga
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Condutividade Elétrica (Ω-cm)-1
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ln σ ≅ C −
Germânio
Eg
2kT
C= constante
Eg = energia do gap
k = constante Boltzmann
T = temperatura (K)
Temperatura (°C)
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Efeito da temperatura sobre a condutividade
e a concentração dos portadores de carga
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Crescimento de
Condutividade
cresce
⇒
com o
nep
é superior
aumento
à diminuição de
de T
µe e µb.
10
Condutividade (Ω-m)-1
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4
Si+0,0052at%B
10
10
3
Si+0,0013at%B
2
σ =600(Ω-m)-1
10 1
10
σ =10-2(Ω-m)-1
Si puro
10 0
-1
-2
10
50
100
200
400
1000
Temperatura (K)
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Efeito da temperatura sobre a condutividade
e a concentração dos portadores de carga
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Temperatura alta =
Condutividade intrínseca
A variação de n e p com a temperatura é semelhante
à variação da condutividade:
10 4
103
102
ln σ
Condutividade (Ω-m)-1
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10 1
Saturação
100
Si
10-1
10-2
50
100
200
400
Temperatura (K)
Extrínseca
Eg
∆ ln σ
=−
2k
1
∆ 
T 
1000
1/T
Si+B
ln n = ln p ≅ C ′ −
Eg
2kT
C ’ = constante ≠ C
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Dispositivos semicondutores
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O Diodo (junção retificadora) é um dispositivo
eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica
em apenas um sentido.
Lado p
+ +
+
+
+
Lado n
+
+
+
Junção retificadora com
polarização direta
-
- - - -
Lado p
⇒
+
Lado n
+ + - + + - + + - -
Zona de
recombinação
-
+
-
-
+
Energia
-
Polarização direta
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Junção retificadora com
polarização reversa
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+
+
Junção retificadora com
polarização reversa
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Lado p
- +
+
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Lado n
+
+
-
-
+
-
- - +
- -
⇒
Lado p
+ +
- + +
+ +
Lado n
- - - +
- -
Polarização reversa
+
+
-
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Curva corrente-tensão para
uma junção semicondutora
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+
ID » IR
Fluxo direto
ID
Ruptura
Diodo Zener
ID
V0
-V0
Fluxo reverso
Retificação com uma junção
semicondutora
IR
V0
+
Tensão, V
ID» IR
Corrente
Corrente, I
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Tensão
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IR
-V0
Tempo
Tempo
-
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O transistor
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Transistor = amplificador
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O transistor de junção
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Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n.
Transistor = interruptor
Emissor Base Coletor
p
n
p
Os dois principais tipos de transistores são os
de junção e os MOSFET (metal-oxide-semiconductor
field effect transistor)
emissor
Silício tipo n
base
coletor
Emissor Base Coletor
n
p
n
Silício tipo p
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O transistor pnp
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buracos
Emissor Base Coletor
p
n
p
Tensão reversa
Tensão direta
buracos
+
+
+ ++
+
+ + + +
Carga
VE
tensão
de
saída
Tensão de
saída (mV)
0,1
Vsaída
Ventrada
Porta
Isolante, SiO2
Fonte
Si tipo n
-----------
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+
-
VE /B
I0 , B = constantes
O transistor MOSFET
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IC
I C = I0 e
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O transistor pnp
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buracos
- +
+
+ ++
+ - +
+ + + + - -
tensão
de
entrada
Tensão de
entrada (mV)
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+
Dreno
Si tipo n
Si tipo P
50 nm
Ventrada = 0 ⇒ Vsaída = 0
Transistor = interruptor (sistema binário)
O transistor MOSFET
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Outras aplicações de
semicondutores
Termístores: como a condutividade elétrica
dos semicondutores depende da temperatura,
eles podem ser usados como termômetro!
Sensores de pressão: como a estrutura de
banda e Eg são funções do espaçamento entre os
átomos do semicondutor, a condutividade
elétrica pode ser usada para medir a pressão
atuando sobre o material!
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Capacitor = “armazenador“ de energia elétrica.
Q
Capacitância C =
Polarização
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+++++ ++ ++ + + + + ++ ++ +++++
C = ε0
----- -- -- - - - - - - - -- -- -
l
A
l
Q =carga em uma placa
A = área da placa
l = separação entre placas
ε0 = 8,85x10-12 F/m
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Polarização
Q
V
A
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Comportamento dielétrico
Polarização
Sem campo elétrico
Com campo elétrico
Eletrônica
Iônica
Orientação (dipolos permanentes)
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Constante dielétrica
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Rigidez dielétrica
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C =ε
A
l
É o maior campo elétrico que um dielétrico pode
manter entre dois condutores.
Rigidez Dielétrica =
ε = κε 0
V
lmax
κ = constante dielétrica ( P=(κ-1)εºE )
κ
quantidade de
energia armazenada
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Propriedades Elétricas
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Dependência da Constante dielétrica
com a freqüência
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Constante dielétrica
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Orientação
Iônica
Eletrônica
Freqüência (Hz)