aula teorica 22.ppt - ulisboa · supercondutor e sistivida t c temperatura / k r 0 e li ã t ó i...
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Semicondutores ExtrínsecosGrupo 14p
Grupo 13 Grupo 15
Tipo p:Impurezas com 3
Tipo n:
Impurezas com 5pelectrões de valência
Impurezas com 5electrões de valência
+Li
Si ([Ne]3s2 3p2) dopado com As ([Ar]3d10 4s2 4p3)
Si ([Ne]3s2 3p2) dopado com B (1s2 2s2 2p1)e‐
e+
EDiagrama de Bandas de Energia
(S )
Impurezas do Grupo 15
E
0
[As(Si4)]
Ei(As) = 9.81 eV
Ei(Si) = 8.15 eV
4 OM σ*sp3
4p
3p
3s
Si(sp3) SiAs4s
As(sp3) [As(Si4)]4 OM σsp3
E XDiagrama de Bandas de Energia
X[As(Si )]E
0
X[As(Si4)]
Ei(As) = 9.81 eVEi(Si) = 8.15 eV
4p
3p4X OM σ*sp3
(X e-s)
3s4X OM σsp
Si(sp3) SiAs4s
As(sp3) X[As(Si4)]
4X OM σsp3(preenchidas)
Diagrama de Bandas de Energia
E
Cristal com X unidades e N-X unidades
0
Ei(Si) = 8.15 eV
4X OM σ*sp3
Ei(As) = 9.81 eV
3
BCSi(sp3)
4(N-X) OM σ*sp3
[Si(Si4)]N-x
Si Nível de impureza4X OM σ sp3
4p
3p(X e-s)3p( p3)
4X OM σsp34s
3sBV 4(N-X) OM σsp33s
(preenchidas)
Si(sp3)X[As(Si4)] SiAs As(sp3)
Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos
ETipo n (portadores maioritários: n)
BCBC
Tipo n (portadores maioritários: n)
BC
Eg
nível de impureza doadoraBC
Eid
EF
BV
Diagrama de Bandas de Energia
E
Cristal com X unidades e N‐X unidades
4X OM σ*sp
0
Ei(Ga) = 6,00 eV Ei(Si) = 8,15 eV[Si(Si4)]N‐x4X OM σ*sp3
4p
3
Ga(sp3)
(vazias)
Si
BCBC 4(N‐X) OM σ*sp3
4s
3p
Ní l d i
4X OM σsp3(7X e‐s)
Si(sp3)
3p
Si(sp3)X[Ga(Si4)]
4X OM σsp3
SiGa
3s
Ga(sp3)
Nível de impureza( )
3sBV 4(N‐X) OM σsp3
Si(sp3)X[Ga(Si4)] SiGa Ga(sp3)
Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos
ETipo n Tipo p(portadores maioritários: n) (portadores maioritários: p)
BCBCBC BC
Tipo n p p(portadores maioritários: n) (portadores maioritários: p)
BCBC
Eg Eg
nível de impureza doadora
BC BCEid
EF
BVBV
nível de impureza aceitadoraEia
EF
Variação da mobilidade de portadores com a temperatura
μ = b T3/2A baixas temperaturas (zona extrínseca):
A temperaturas elevadas (zona intrínseca): μ = a T-3/2
log μ
declive: 3/2 d li 3/2declive: 3/2 declive: -3/2
Regime extrínseco
Regime intrínseco
T / K
Variação da densidade de portadores com a temperatura
√ E /2k TZona extrínseca ou de impureza: n = n0 T3/4 √Nd e- Eid/2kBT
oup = p0 T3/4 √Na e- Eia/2kBT
(tipo n)
(tipo p)
Zona intrínseca : n≅p = constante × T3/2 e- Eg/2kBT
Zona de saturação: n constante (tipo n) ou p constante (tipo p)
log ne
l
Zona intrínseca
Zona extrínseca
Zona de saturação
Impurezas totalmente ionizadasSemicondutor extrínsecotipo n:
log p
li h i t íp
n
1/T / K-1
linha intrínseca (declive = -Eg/2kB)
p
Variação da condutividade de portadores com a temperatura
Zona intrínseca
Zona extrínseca
Zona de saturação
log σσ = bT3/2 e n0 T3/4 √Nd e- Eid/2kBT
= constante ×T9/4× e - Eid/2kBT
σ =Nd e aT-3/2
σ = σ0×e- Eg/2kBT co s a e eσ σ0×e
1/T / K-1
Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente
108prataouro10
106
104
alumínioouro
grafite (valor médio)Condutores
10‐2
102
1germânio
Semicondutores
σ / S m‐1
10‐2
10‐4
10‐6
silício
vidro comum
10‐10
10‐8
cloreto de sódiobaquelite Isoladores
10‐16
10‐14
10‐12
micas
polietileno
10‐18
10 polietileno
Isolantes
C
Eg>3 eVDiagrama de Bandas de Energia
BC
BV
Carbono diamante
*4N σ*4 OM σ*sp3
EEg
σsp3*(banda de condução)
(banda proibida)
Csp3
g
(banda de valência)
(banda proibida)
σsp34 OM σsp3 4N σ
[C(C4)] [C(C4)]N
Compostos Iónicos AB
A d 17 ( 5) B d 1 ( 1)A do grupo 17 (np5) e B do grupo 1 (ns1)
B d 4N í i i
E0
Banda com 4N níveis , vazia
N át d B
Ei(B)
N átomos de B4N níveis de valência
Eg> 3eVEi(A)
Banda com 4N níveis, preenchida (8N electrões)N átomos de A
4N níveis de valência4N níveis de valência
Conduzem a corrente eléctrica quando fundidos, por movimento orientado dos iões
Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente
108prataouro10
106
104
alumínioouro
grafite (valor médio)Condutores
dos
10‐2
102
1germânio
Semicondutores
ros Co
njugad
σ / S m‐1
10‐2
10‐4
10‐6
silício
vidro comum Polím
er
10‐10
10‐8
cloreto de sódiobaquelite Isoladores
10‐16
10‐14
10‐12
micas
polietileno
10‐18
10 polietileno
Polímeros Condutores e Semicondutores
condutores semicondutores
orbitais σ*, vazias
Banda com as orbitais π preenchidas
σ*, vazias
π* vaziasBanda com as orbitais π preenchidase as π* vazias
Egπ preenchidas
orbitais σ, preenchidas σ, preenchidas
Alan G. MacDiarmid (EUA, NZ)
Hideki Shirakawa(Japão)
Alan Meeger(EUA)
Polímeros Condutores
Polímeros Conjugados
Poliacetileno (PA)
Polipirrole (PPy)(Pirrole)(Pirrole)
Polianilina
Vantagens dos polímeros condutores:propriedades mecânicas
Utilizações:Emissão de luz: polímeros electroluminescentes
Células solares (voltaicas)Células solares (voltaicas)
SupercondutoresAbaixo de uma temperatura crítica conduzem a corrente eléctrica
l i tê i há difi ã b d i d d d t lsem qualquer resistência: há uma modificação brusca das propriedades de metal(Descoberta em 1911 por Heike Onnes)
Tipo 1 : Metais e Metalóides com alguma condutividade à T ambiente.Transição à supercondutividade muito abrupta e diamagnetismo perfeito.
de / Ω
m Metal não supercondutor
Supercondutor
esis
tivid
ad
Tc Temperatura / K
Re
0
E li ã t ó i 1957 (B d C S h i ff ) T i BCSExplicação teórica em 1957 (Bardeen, Cooper e Schrieffer) – Teoria BCS- Prémio Nobel da Física em 1972 -A corrente eléctrica é transportada por pares de electrões (pares de Cooper)
Estado supercondutor
+ + +
Estado supercondutorÁrea de distorção
+ + ++
++ + Par de Cooper
vv
+
+A passagem de um e- entre os átomos carregados positivamente atrai-os para dentro e causa uma distorção.
Os dois electrões (pares de Cooper) ficam ligados e movem-se através da
+ + +
çA rede distorcida cria uma região de potencial mais positivo que atrai outro electrão – forma-se um par de Cooper.
ficam ligados e movem se através da rede
Exemplos de supercondutores de Tipo 1
Metal/Metalóide Tc Estrutura
Lead (Pb)Lanthanum (La)Tantalum (Ta)Mercury (Hg)
7.196 K4.88 K4.47 K4 15 K
FCCHEXBCCRHLMercury (Hg)
Indium (In)Thallium (Tl)Rhenium (Re)Protactinium (Pa)
4.15 K 3.41 K2.38 K1.697 K1 40 K
RHLTETHEXHEXTETProtactinium (Pa)
Thorium (Th)Aluminum (Al)Gallium (Ga)Molybdenum (Mo)
1.40 K1.38 K1.175 K1.083 K0 915 K
TETFCCFCCORCBCCMolybdenum (Mo)
Osmium (Os)Zirconium (Zr)Cadmium (Cd)Ruthenium (Ru)
0.915 K0.66 K0.61 K0.517 K0 49 K
BCCHEXHEXHEXHEXRuthenium (Ru)
Titanium (Ti)Uranium (U)Hafnium (Hf)Iridium (Ir)
0.49 K0.40 K0.20 K0.128 K0 1125 K
HEXHEXORCHEXFCCIridium (Ir)
Beryllium (Be)Tungsten (W)Rhodium (Rh)
0.1125 K0.023 K (SRM 768)
0.0154 K0.000325 K
FCCHEXBCCFCC
Tipo 2: Compostos metálicosLigas
Supercondutores
Ligas“Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos)
Transição à supercondutividade muito suave e temperaturas críticasmais elevadas que os de Tipo 1mais elevadas que os de Tipo 1.
Cuprato (óxido de cobre)YBa2Cu3O7 (Tc= 92 K)
e / Ωm
esistiv
idade
Temperatura / K
Re
(estrutura em camadas)Vários mecanismos propostos
Exemplos de supercondutores de Tipo 2
‐ Compostos metálicos
Supercondutor T
Compostos metálicos‐ Ligas‐“Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos)
Supercondutor Tc(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+ 254
InSnBa4Tm4Cu6O18+ (*) ~150 K
(Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33HgBa2Ca2Cu3O8HgBa2Ca3Cu4O10+
138 K133‐135 K125‐126 K
Tl B C C O 127 128 KTl2Ba2Ca2Cu3O10(Tl1.6Hg0.4)Ba2Ca2Cu3O10+TlBa2Ca2Cu3O9+
127‐128 K126 K123 K
Sn Ba (Ca Tm )Cu O ~115 KSn2Ba2(Ca0.5Tm0.5)Cu3OxSnInBa4Tm3Cu5Ox
115 K~113 K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Oy 115 K (filme espesso emsubstrato de MgO)
(*) – Patente pendente
Levitação magnética (efeito de Meissner)
Um supercondutor abaixo de T temUm supercondutor abaixo de Tc tem diamagnetismo perfeito e é repelido por um campo magnético aplicado
Maglev de Shanghai
• Propriedades Eléctricas dos Materiais
Sumário 22• Propriedades Eléctricas dos Materiais
• Semicondutores Extrínsecos- Tipo n e Tipo p. Diagramas de bandas de energia- Portadores maioritários. Nível de Fermi- Variação da mobilidade, densidade de portadores e
condutividade com a temperaturacondutividade com a temperatura• Isolantes
- Diagramas de bandas de energia- Exemplos
• Polímeros Condutores e Semicondutores- Diagrama de bandas de energiaDiagrama de bandas de energia- Vantagens e Utilizações
• Supercondutores- Tipo 1 e Tipo 2. Exemplos.- Efeito de Meissner
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