Condução de eletricidade nos sólidos

Apresentação em tema: "Condução de eletricidade nos sólidos"— Transcrição da apresentação:

1 Condução de eletricidade nos sólidos
Capítulo 42 Condução de eletricidade nos sólidos

2 Os sólidos “Física do estado agregado compacto de um grande número de átomos ligados quimicamente” 1023 Modelos típicos de estado sólido Quais são os mecanismos que fazem um sólido ser um bom condutor de eletricidade?

3 MATERIAL INTRAGRANULAR monodomínio cristalino
MATERIAL INTERGRANULAR

4 14 Redes de Bravais Grupos espaciais

5 Sólidos cristalinos rede cristalina = rede matemática + base

6 Sólidos amorfos Os sólidos amorfos apresentam ordem de curto alcance para ligações com primeiros vizinhos da rede atômica…. …mas não de longo alcance

7 Níveis de energia num sólido cristalino
ligante anti-ligante Energia E energia de ligação Aproximando 2 átomos

8 Energia de Fermi Bosons Fermions

9 Niveis de energia Sódio (11 elétrons): s2 2s2 2p6 3s1

10 Bandas de energia Sódio (11 elétrons): s2 2s2 2p6 3s1

11 Bandas de energia permitida e proibidas
Níveis muito próximos E E Átomo isolado Sólido 4p Banda permitida 4s 3p Banda proibida 3s Banda permitida 2p Banda proibida Banda permitida 2s Banda proibida 1s Banda permitida

12 Bandas de energia Eg EF T > 0

13 Isolantes Corrente elétrica E E Isolante Metal Eg EF EF

14 Relembrando Átomos em equilíbrio térmico (Boltzmann) Ex E0
Caso do diamante, Ex - E0 = Eg:

15 Metais E Metal T = 0 K EF d.d.p corrente

16 Modelo de elétrons livres
x y z Ly Lx Lz Eq. de Schrödinger: (ondas planas) Não explica diferença entre metais, isolantes e semicondutores

17 Interação com a rede cristalina: potencial periódico
Bandas proibidas Bandas de energia: metais, isolantes, semicondutores

18 Superfície de Fermi Princípio de Exclusão de Pauli

19 Parâmetros importantes
(energia de Fermi)

20 Quantos elétrons de condução existem?
Número de elétrons de condução da amostra Número de átomos da amostra valência por átomo ( ) = ( )( ) Concentração de portadores: número de elétrons de condução na amostra Volume da amostra, V n = ( ) = = Número de átomos da amostra Massa da amostra, Mam massa atômica Massa da amostra, Mam (massa molar M)/NA = (massa específica do material)(volume da amostra, V) (massa molar M)/NA NA = 6,02 x 1023 mol-1

21 ( ) = ( )( ) ( ) = = = = Exemplo do Mg
Quantos elétrons num cubo com 2 cm de aresta? (lembrando que o Mg é divalente e tem densidade de 1,738 g/cm3) Número de elétrons de condução da amostra Número de átomos da amostra valência por átomo ( ) = ( )( ) ( ) = Número de átomos da amostra (massa específica do material)(volume da amostra, V) NA (massa molar M) = 8,61 x 1022 Número de elétrons de condução na amostra = = 8,61 x x (2 elétrons) 1,72 x 1023

22 Condutividade para T > 0
Metal EF O que acontece com esta distribuição de elétrons quando a temperatura aumenta?

23 Quantos estados quânticos existem?
(densidade de estados) N(E) dE é o número de estados entre E e E+dE

24 Verificação (a) A distância entre níveis de energia vizinhos em uma amostra de cobre nas proximidades da energia E = 4 eV é maior, igual ou menor que a distância entre níveis vizinhos nas proximidades de E = 6 eV? (b) A distância entre níveis de energia vizinhos no cobre nas proximidades de uma certa energia é maior, igual ou menor que a distância entre níveis vizinhos em uma amostra de mesmo volume de alumínio nas proximidades da mesma energia?

25 A probabilidade de ocupação P(E)
1 Função da temperatura

26 Quantos estados ocupados existem?

27 Cálculo da energia de Fermi
Como para T = 0, P(E) = 1, para energias abaixo das de Fermi, podemos substituir N0(E) por N(E):

28 Isolantes e Semicondutores
Semicondutor T=0 E E Eg EF Eg EF Egisolante >> Egsemicondutor

29 Ativação térmica O T > 0

30 Semicondutores T > 0 T = 0 elétrons livres Banda de condução
buracos ou lacunas Banda de valência T > 0 T = 0

31 Densidades de estados & T > 0

32 Concentração de portadores, n
Valores para temperatura ambiente

33 Resistividade, r Modelo do gás de elétrons livres: r = m/e2nt
Valores para temperatura ambiente

34 Ponto de vista elétrico
Resistividade r Coeficiente de temperatura da resistividade Concentração de portadores de carga n Isolantes, metais e semicondutores

35 Algumas propriedades elétricas
Valores para temperatura ambiente O que faz do diamante um isolante, do cobre um metal e do silício um semicondutor?

36 Coeficiente de temperatura da resistividade, a
Cobre: T t Silício: T n Valores para temperatura ambiente

37 Semicondutores dopados
dopagem Aproximadamente 1 em 107 átomos de Si é substituído Si Não

38 Semicondutores tipo n Silício neutro (14 elétrons): s2 2s2 2p6 3s2 3p2 doadores para Si Si tipo n Elétrons: maioria Buracos: minoria Não

39 Semicondutores tipo p Elétrons: minoria Buracos: maioria Não Si tipo p
aceitadores para Si Si tipo p Elétrons: minoria Buracos: maioria Não

40 Semicondutores dopados
Energia do elétron Não

41 Energia Ed dos níveis doadores a partir da banda de condução do Si e Ge
Energia Ea dos níveis aceitadores a partir da banda de valência do Si e Ge Não

42 Junção p-n Física do estado sólido dispositivos eletrônica
Inomogeneidade Junção p-n contato Schottky Difusão Implantação iônica Não

43 p n d0 Não Esquema de bandas da junção p-n
Semicondutor tipo p Semicondutor tipo n Esquema de bandas da junção p-n Carga espacial devido a defeitos ionizados p n d0 Concentração de doadores e aceitadores log da concent. Não Posição

44 Verificação Quais das seguintes correntes através do plano da junção da figura abaixo são nulas? (a) A corrente total de buracos, incluindo os portadores em maioria e os portadores em minoria. (b) A corrente total de elétrons, incluindo os portadores em maioria e os portadores em minoria. (c) A corrente total de elétrons e buracos, incluindo os portadores em maioria e os portadores em minoria. (d) A corrente total de portadores em maioria, incluindo elétrons e buracos. (e) A corrente total de portadores em minoria, incluindo elétrons e buracos. Semicondutor tipo p Semicondutor tipo n Não

45 Diodo retificador Não Curva característica I x U inversamente
diretamente Não

46 Polarização Elétrica p n p n dD di Não inversamente diretamente
p n p n dD di Não

47 Diodo emissor de luz (LED)
Não

48 Fotodiodo                                                 Não

49 O fotodiodo                                                 Não

50 Diodo laser semicondutor
Não

51 Laser Semicondutor Não

52 Transistor John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain Não

53 Transistores: npn e pnp
Não

54 Superconduividade Não