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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros,

cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

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Semicondutores

Banda decondução vazia

Banda de valência

preenchida

Propriedades elétricas extremamente sensíveis à presença de impurezas mesmo em concentrações ínfimas.

Condutividade elétrica não tão alta quanto à dos metais.

Semicondutor intrínseco tem suas características determinadas pela estrutura eletrônica do metal puro

Semicondutor extrínseco tem suas propriedades elétricas ditadas pelas impurezas

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www.sorocaba.unesp.br/gpmT = 0 K

Par elétron-buraco

+-

=elétrons + buracos

=n e e + p e b

n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3

e (b) = mobilidade de elétrons (buracos)

T > 0 K

n = ppara semicondutores

intrínsecos,

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Semicondutores intrínsecos

0,010,03-2,26ZnTe

-0,03-2,4CdS

0,077,72x1040,17InSb

0,450,8510-61,42GaAs

0,0020,05-2,25GaP

0,180,382,20,67Ge

0,050,144x10-41,11Si

b (m2/V-s)e (m

2/V-s) (Ω-m)-1Gap (eV)

Material

III-V

II-VI

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Semicondutores extrínsecos

Tipo n

Si P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

4+ 5+

Elétron excedentefracamente ligado

=

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Semicondutores extrínsecos

Tipo n

Energia

Elétron livre na banda de condução

Estado doador

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Semicondutores extrínsecos

Tipo n

n » p ≈ n e e

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Semicondutores extrínsecos

Tipo p

Si B

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

B

4+ 3+

Buraco na camada de valência

Estado receptor

=

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Energia Buraco na camada de valência

Semicondutores extrínsecos

Tipo p

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p » n ≈ p e b

Semicondutores extrínsecos

Tipo p

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Temperatura (°C)

Con

du

tivid

ad

e E

létr

ica (

Ω-c

m)-

1

Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos

portadores de carga

Germânio

kT

EC g

2ln

C= constanteEg = energia do gapk = constante BoltzmannT = temperatura (K)

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Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos

portadores de carga

Condutividade

cresce

com o

aumento

de T

Crescimento de

n e p

é superior

à diminuição

de

e e b.

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50 100 200 100010

-2

104

10-1

100

101

102

103

Temperatura (K)

Si puro

Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos

portadores de carga

400

Con

du

tivid

ad

e (

-m)-

1

Si+0,0013at%B

Si+0,0052at%B

=10-2(Ω-m)-1

=600(Ω-m)-1

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k

E

T

g

21ln

50 100 200 100010-2

104

10-1

100

101

102

103

Temperatura (K)400

Condu

tivid

ade (

-m)-

1

SaturaçãoExtrínseca ln

1/T

Si+BSi

Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos

portadores de carga

Temperatura alta = Condutividade intrínseca

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Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos

portadores de carga

A variação de n e p com a temperatura é semelhante à variação da condutividade:

kT

ECpn g

2lnln

C ’ = constante ≠ C

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Dispositivos semicondutores

O Diodo (junção retificadora) é um dispositivo eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido.

+ -

-

-- -

-+ +

+

+ +

+ -

-+

Lado p

Lado n+ -

- -- -

-+

+

++

+

+ -

-+

Lado p

Lado n

Polarização direta

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Energia

Junção retificadora com polarização direta

Zona de recombinação

- +

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Junção retificadora com polarização reversa

+ -

-

-- -

-+ +

+

+ +

Lado p

Lado n

- +

+-

Polarização reversa

+ -- -- -

-+

+

++

+

- +

+-

Lado p

Lado n

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Junção retificadora com polarização reversa

+ -

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V0

ID

-V0

IRFluxo reverso

Fluxo direto

Tensão, V

Corr

ente

, I

Ruptura+

+

-

-

Curva corrente-tensão para uma junção semicondutora

ID» IRDiodo Zener

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Retificação com uma junção semicondutora

ID » IR

Tensã

o

V0

-V0C

orr

ente

ID

IR

Tempo Tempo

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O transistor

Transistor = amplificador

Transistor = interruptor

Os dois principais tipos de transistores são os de junção e os MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor)

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O transistor de junção

Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n.

Basen

Emissorp

Coletorp

Basep

Emissorn

Coletorn

Silício tipo p

Silício tipo n

emissor

base

coletor

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O transistor pnp

Carga

tensãode

saída

tensãode

entrada

Tensã

o d

ireta

Tensã

o r

evers

a

Tensã

o d

eentr

ad

a (

mV

)

0,1

Tensã

o d

esa

ída (

mV

) 10

++

++

+

+

+ +

+++ +

+

++

+

+

+ +

++

--

- -

--

buracos buracos

buracos

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BV0C

EeII /

Basen

Emissorp

Coletorp

O transistor pnp

VE IC

I0 , B = constantes

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O transistor MOSFET

Si tipo P

FonteSi tipo n

DrenoSi tipo n

Isolante, SiO2

Porta

-- - - - --- - - - -

Ventrada

Vsaída

- +

+

50 nm

Ventrada = 0 Vsaída = 0

Transistor = interruptor (sistema binário)

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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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Comportamento dielétrico

Capacitor = “armazenador“ de energia elétrica.

VQ

C iaCapacitânc

Q

lA

l

AC 0

Q =carga em uma placaA = área da placal = separação entre placas0 = 8,85x10-12 F/m

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Polarização

- - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +Polarização

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Polarização

Eletrônica

Iônica

Orientação (dipolos permanentes)

Sem campo elétricoCom campo elétrico

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Constante dielétrica

l

AC

= constante dielétrica ( P=(-1)ºE )

0

quantidade de energia armazenada

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Rigidez dielétrica

É o maior campo elétrico que um dielétrico pode manter entre dois condutores.

Rigidez Dielétrica = maxl

V

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Propriedades Elétricas

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Freqüência (Hz)

Con

stan

te d

ielé

tric

a

Orientação

Iônica

Eletrônica

Dependência da Constante dielétricacom a freqüência