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Prof. Sandro R. Zang – Sala 116-2Departamento das Engenharias de Telecomunicações e Mecatrônica (DETEM)
Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) Campus Alto Paraopeba - Ouro Branco/MG
Disciplina: Materiais Elétricos e
Magnéticos.
Introdução
2Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Introdução
3Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Introdução
4Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Introdução
5Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Condução Elétrica: Resultado do movimentode portadores de carga (elétrons) dentro domaterial;
A facilidade ou dificuldade de conduçãoelétrica de um material está associada aoconceito de níveis de energia.
Nos materiais sólidos, níveis de energiadiscretos dão origem as bandas de energia.
É o espaçamento relativo dessas bandas quedetermina a magnitude da condutividade.
Introdução
6Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Condutores: metais que possuem grande valor decondutividade.
Isolantes: Cerâmicas, vidros e polímeros, possuempequenos valores de condutividade.
Semicondutores: possuem valores intermediáriosde condutividade.
Banda de condução completa ou
parcialmente cheia ou superposta
Banda de valência completa
Banda de condução vazia
Banda de valência completa
Banda de condução vazia
Banda de valência completa
> 4 eV~ 4 eV
Condutores Semicondutores Isolantes
Semicondutores
7Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores: possuem valores intermediáriosde condutividade (σ).
Semicondutores
8Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
9Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutor Silício (Si):
sólido com ligações
covalentes e com estrutura
cúbica semelhante ao do
carbono .
A diferença é que o Si
possui espaçamento entre
as bandas menor (Eg=1,107
eV, em comparação com ~
6 eV do carbono!
Semicondutor Intrínseco
10Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutor Silício (Si):
O resultado é que, na
temp. ambiente (298K) a
energia térmica promove
um número significante de
elétrons da banda de
valência para a banda de
condução.
Cada promoção de elétron
cria um par de portadores
de carga (par elétron-
buraco)
Semicondutor Intrínseco
11Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutor Silício (Si):
Consequentemente,
buracos são produzidos na
banda de valência em igual
número de elétrons na
banda de condução.
Esses buracos são
portadores de carga
positiva!
Semicondutor Intrínseco
12Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutor Silício (Si):
Com número moderado de
portadores de carga
positiva e negativa o Si
apresenta uma
condutividade elétrica
moderada, intermediário
entre os metais e os
isolantes.
Semicondutor Intrínseco
13Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores (σ): A densidade de elétrons éigual à densidade de lacunas.
μeMobilidade dos elétrons.
μhMobilidade dos buracos.
Sn (estanho)
e hnq (Ω-1.m -1)
Semicondutor Intrínseco
14Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Temperatura
condutividade (σ)
Temperatura
condutividade (σ)
Si
Semicondutor Intrínseco
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Semicondutor Intrínseco
Aumenta T :
estende a função de
Fermi,
aumenta a
sobreposição das
“caudas” da curva
logo, tem-se mais
portadores de carga;
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
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Semicondutor Intrínseco
A dependência da
condutividade com a
temperatura segue
um mecanismo de
ativação térmica;
A densidade de
portadores aumenta
exponencialmente
com a temperatura:
2
gE
kTn e
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores
17Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Condutores (Relembrando...)
18Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
ρ0 Resistividade do material
puro;
x quantidade de impureza
β constante para o sistema
impureza-metal (inclinação
da reta);
0 1 x
Temperatura fixa de 20ºC
Cobre com impurezas
Resistividade (ρ) com o de impurezas ( ≈ Linear):
Adição de impurezas (dopagem) no material puro;
Tipo N = quando portadores de cargas negativas
predominam;
Tipo P = quando portadores de cargas positivas
predominam;
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Semicondutor Extrínseco
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Semicondutor intrínseco é dopado com
elementos da família 5ª Fósforo (5 elétrons de
valência);
Isso afeta a estrutura da banda de energia.
4 elétrons de valência do fósforo são necessários
para a ligação com 4 elétrons do Silício.
O elétron extra é relativamente instável e produz
um nível doador (Ed) perto da banda de
condução.20
Semicondutor Extrínseco
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
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Semicondutor Extrínseco
A barreira de energia para formar um elétron de
condução (Eg – Ed) é consideravelmente menor
que no material intrínseco (puro) - Eg.
Desloca para cima
Os elétrons de condução fornecidos pelos
átomos da família 5A são os portadores de carga
mais numerosos, logo:
n – número de elétrons devido aos átomos dopantes
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enq
Semicondutor Extrínseco
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μeMobilidade dos elétrons.
Semicondutor intrínseco é dopado com elementos dafamília 3ª Alumínio / Boro (3 elétrons devalência);
Isso afeta a estrutura da banda de energia.
3 elétrons de valência deixam o Alumínio / borocom 1 elétron a menos que o necessário para aligação com os 4 elétrons do Silício.
O resultado é o surgimento de um nível receptor (Ea)perto da banda de valência.
Um elétron de valência do silício pode facilmente serpromovido para esse nível receptor (Ea) gerando umburaco.
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Semicondutor Extrínseco
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Semicondutor Extrínseco
Desloca para baixo
A barreira de energia para formar um portador
de carga (Ea) é consideravelmente menor que
no material intrínseco (puro) - Eg.
Os buracos (lacunas) são os portadores de carga
mais numerosos, logo:
n – densidade dos buracos
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hnq
Semicondutor Extrínseco
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
μhMobilidade dos buracos.
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Semicondutor Extrínseco
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutor Extrínseco
27Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Exemplo: Em um Silício tipo N dopado com fósforo, o
nível de Fermi (EF) é deslocado para cima em 0,1 eV. Qual
a probabilidade de um elétron ser promovido termicamente
para a banda de condução no silício (Eg = 1,107 eV) na
temperatura ambiente (25º C).
Semicondutor Extrínseco
28Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Exemplo: Em um Silício tipo N dopado com fósforo, o
nível de Fermi (EF) é deslocado para cima em 0,1 eV. Qual
a probabilidade de um elétron ser promovido termicamente
para a banda de condução no silício (Eg = 1,107 eV) na
temperatura ambiente (25º C).
É bem maior que a do Si puro (4,39x10-10).
6/ 0,4535/(86,2 10 298)
8
1,1070,1 0,4535
2
1 1
1 1
2,2 10
F
F
E E kT
E E eV
f Ee e
f E
Semicondutores
29Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Elementos que geralmente se parecem com
elementos do grupo 4 A;
Eletronicamente esses compostos se agrupam
nas características da família 4A;
compostos III-V: têm composições MX, com
M sendo um elemento de valência 3+ e X sendo
um elemento de valência 5+; A média de 4+ se
iguala à valência do grupo IV A.
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Semicondutores Compostos
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Compostos II-VI: combinam um
elemento de valência 2+ com um
elemento de valência 6+.
Uma boa regra para os compostos
semicondutores é ter uma média de 4
elétrons de valência por átomo.
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Semicondutores Compostos
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Os semicondutores Compostos III-V e Compostos II-VI
puros são intrínsecos e podem se tornar extrínsecos
através de dopagem;
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Semicondutores Compostos
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Os semicondutores Compostos III-V e Compostos II-VI
puros são intrínsecos e podem se tornar extrínsecos
através de dopagem;
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Semicondutores Compostos
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores
34Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores não cristalinos;
Tecnologia em desvantagem em relação aos
cristalinos (menos desenvolvida);
Entretanto, são bastante utilizado no mercado
fotovoltaico (células solares), relógios solares,
Processo de fabricação mais barato, eficiência
mais baixa;
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Semicondutores Amorfos
Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
Semicondutores
36Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang
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Dispositivos Semicondutores
Circuitos miniaturizados são
resultados da combinação
criativa de materiais do tipo N e
P.
junção P-N.
b) Polaridade reversa:
idealmente, não tem corrente,
apenas uma corrente mínima
devido a portadores de carga
intrínsecos.
c) Polaridade direta: elétrons
preenchem as lacunas
continuamente corrente.
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Dispositivos Semicondutores
Circuitos miniaturizados são
resultados da combinação
criativa de materiais do tipo N e
P.
junção P-N.
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Dispositivos Semicondutores
junção P-N-P (BJT – Trans. Junção Bipolar).
• Se a região de base for estreita (1μm largura) o suficiente, um
grande número de buracos passará pela junção 2;
• Uma vez no coletor, os buracos se movem livremente, como
portadores majoritários de cargas;
• Como resultado, a corrente no coletor é uma função
exponencial de Ve:
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Dispositivos Semicondutores
– fonte de corrente é os elétrons.
• – Transistor de Efeito Campo!
• Funciona com a aplicação de uma tensão negativa na Porta, que
gera um campo no Canal-p de material N.
• Esse campo atrai buracos para esse Canal-p, torne-se condutor;
• Fazendo com que o material Tipo N (canal-p) se comporte com
Tipo P, pelo efeito campo, tornando o dispositivo condutor.
SiO2Sílica Vítria(Isolante)
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Dispositivos Semicondutores
A frequência de operação está limitada pela mobilidade
eletrônica dos materiais (μe).
Diminuir a largura da Porta Canal-p (Canal-n)
mínimo atual é de 0,1μm.
Ou usar materiais com mobilidade eletrônica (μe) maior
Ex: GaAs alto custo e tecnologia de processo mais
difícil
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Dispositivos Semicondutores
Wafer de Silício: milhares de chips
Aplicação de padrões precisos de
dopagem difusíveis do tipo N e P,
permite produzir diversos
elementos (transistores, diodos,
etc)
dentro de um único chip de silício
monocristalino.
Substituição das antigas
válvulas!!!