Download - Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz
Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10
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Ciência dos Materiais IProf. Nilson C. Cruz
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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros,
cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos
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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