Aula 5_3 Condutores, Isolantes, Semicondutores e Supercondutores

Física Geral e Experimental III

Prof. Cláudio Graça

Capítulo 5

Conteúdo

• Semicondutores

• Supercondutores

Capítulo: 5, 10

Isolantes, Semicondutores e Metais

• Isolante é um condutor de eletricidade

muito pobre;

• Condutor metal é um excelente condutor

de eletricidade;

• Semicondutor possui condutividade entre

os dois extremos acima.

Semicondutores

O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural, não é um bom condutor, nem um bom isolante.

Silício e o Germânio

• O silício e o germânio são os semicondutores mais antigoa utilizados na construção de dispositivos eletrônicos.

• O silício é o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra.

Temperatura, Luz e Impurezas

• Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

MODELO ATÔMICO DE BOHR

• O átomo - é constituído por partículas elementares, as mais importantes para o nosso estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons.

• Camada de Valência - a última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência.

Elétrons de Valência

A órbita eletrônica ou camada mais afastada do núcleo é a camada de valência e os elétrons dessa camada são chamados de elétrons de valência.

Num átomo, o número máximo de elétrons de valência é de oito. Quando um átomo tem oito electrões de valência diz-se que o átomo tem estabilidade química ou molecular.

Elétron de valência

Condutores

Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa

facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está

muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de

valência).

Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência

o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron

(electrão livre).

Número atómico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)

K=2 2n2 = 2x12 = 2

L=8 2n2 = 2x22 = 8

M=18 2n2 = 2x32 = 18

N=1

K L M N 29

P

Isolantes

Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não

cedem facilmente elétrons já que a sua camada de

valência está quase completa (para estar completa

deveria ter 8 elétrons de valência).

O vidro, a mica, a borracha estão neste caso.

Estes materiais não são condutores da corrente elétrica

porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-

lhes uma grande energia para passar os elétrons de

banda de valência para a banda de condução.

Semicondutores Intrínsecos

Os átomos com 4 elétrons de valência geralmente não

ganham nem perdem elétrons, é o que acontece com os

materiais semicondutores, Germânio (Ge) e Silício (Si).

Estes materiais, puros são denominados semicondutores

intrínsecos

Número atómico do

Germânio: 32

Número atómico do

Silício: 14

Camada de Valência

• O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem

quatro elétrons na camada de valência.

• O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons

de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro

da estrutura.

• Os elétrons de valência podem absorver energia externa

suficiente para se tornarem elétrons livres.

Corrente em Semicondutores

o Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente.

o Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução.

o Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente.

o Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução.

MATERIAIS EXTRINSECOS

• Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos.

• Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas e chamado de material extrínseco.

• Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P.

Bandas de energia

Energia

Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo,

muita tensão elétrica) para passar os elétrons da banda de valência para a

banda de condução já que a banda proibida é muito larga. Pelo contrário,

num material condutor a passagem dos elétrons da banda de valência para

a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida.

Os materiais semicondutores estão numa situação intermédia entre os

materiais isoladores e condutores.

MATERIAL DOPADO TIPO N

• Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo.

• O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal.

• O material tipo N resultante é eletricamente neutro.

MATERIAL DOPADO TIPO P

• O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio.

• Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna (buraco).

• Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores.

• O material tipo P resultante é eletricamente neutro.

Semicondutores dopados ou extrínsecos

Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico, fósforo à produzem

semicondutores do tipo-n, por contribuirem com elétrons extras

(impurezas doadoras).

Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, gálio à produzem semicondutores

do tipo-p, por produzirem lacunas ou deficiência de elétrons (impurezas

aceitadoras).

N P

Estrutura de bandas de energia

Banda de

condução

isolante semicondutor condutor

Banda

proibida

Banda de

Valência

Elétrons

livres

Lacunas

Banda de

condução

Banda de

Valência

Maior detalhe da estrutura de bandas I

Esquema de níveis do

hidrogênio atômico a) Potencial em uma rede atômica

b) Esquema de níveis de um sólido (bandas)

Maior detalhe da estrutura de bandas II

a) Condutor b) Isolante c) Semicondutor

Maior detalhe da estrutura de bandas III

Resistividade- variação com T

0 0 0T T

• Condutores: mais ou menos linear para a maioria dos condutores,

na temperatura ambiente com coeficiente α usualmente positiva

(porque?)..

• Superconductores: resistividade torna-se nula a temperaturas

muito baixas.

• Semiconductores: nem bons condutores nem isolantes. (Ge, Si,

GaAs, ..) mas podem ser dopados adquirindo propriedades

quânticas especiais para produzir dispositivos semicondutores tais

como: diodos, transistores, células solares, diodos laser, IC, ….

Para semiconductores: Ge, Si, dopados, ρ decresce com o aumento da

temperatura (porque ?)

Supercondutividade

• 1911 – Kammerlingh Onnes com He liquefeito (Prêmio Nobel)

• Testou R(T) a baixas temperaturas

• Utilizou o Hg, pois podia ser purificado facilmente (por ser liquido)

• Um dos seus estudantes orientados encontrou o fenômeno da supercondutividade, que conta a história ele levou algum tempo para acreditar…

Supercondutividade

• Supercondutividade é um estado do material no qual = 0.

• Esta propriedade ocorre somente abaixo da temperatura critica (TC), abaixo de um certo valor de corrente (JC), e abaixo de um certo campo magnético (HC).

• Os materiais que são supercondutores tendem a ter TC próxima ao 0.

Algumas da propriedades dos supercondutores

1. Resistividade nula

2. Portadores de carga são pares de elétrons (BCS)

3. Os campos magnéticos são nulos dentro do supercondutor

4. 100% refletivos a grandes comprimenos de onda da luz

Supercondutividade

Teoria de Supercondutividade I

1. Em 1957 surgiu uma teoria válida até hoje para explicar a supercondutividade.

2. A teoria diz que a supercondutividade é o resultado da interação entre dois elétrons que formam um par que interage com a vibração atômica, denominados pares de Cooper. Esta teoria foi apresentada 46 anos após a descoberta a supercondutividade.

3. Os autores desta teoria são Bardeen, Cooper, e Schrieffer da University of Illinois.

4. Prêmio Nobel 1972.

(Bardeen já era prêmio Nobel de 1956 pela invenção do transistor de estado sólido.)

• As partículas da condução elétrica são os elétrons = férmions => “se repelem” entre si, i.e. blindam-se entre si

• +fónons (= vibrações da rede cristalina = “colam”) => pares de elétrons (como a luz) => “atraem-se” entre sí, i.e., não se blindam

• A baixas temperaturas: o movimento Browniano é tão baixo que os pares se colam podendo viajar ao longo do material sem resistência

Teoria de Supercondutividade II

Supercondutores

Modelo de condução e- -e- (pares de Cooper)

• Supercondutores: Kammerlingh Onnes (1911)

Tc== 4,15 K para o Hg

• Bardeen, Cooper e Schrieffer (1957) – pares

de cooper

• Até recentemente Tc~ 20 K (Hélio Liqüido)

• K.A. Müller, J.G. Bednorz (1987) Tc acima de

120 K (N líquido 77K)

1. Em 1986, J.G. Bednorz and K. A. Muller publicaram uma descoberta

interessante, um material com La, Sr, Cu, O torna-se supercondutor

a 30 K.

2. O material era o La2-xSrxCuO4.

3. Em 1987, YBa2Cu3O7 mostrou-se supercondutor a 91 K.

4. De acordo com a teoria BCS , o material não deveria ser

supercondutor, pois a essa temperatura a super-condução não ocorre.

Teoria de Supercondutividade III

Supercondutividade a alta temperatura crítica