Condução elétrica em sólidos

Apresentação em tema: "Condução elétrica em sólidos"— Transcrição da apresentação:

1 Condução elétrica em sólidos
Aula -12 Condução elétrica em sólidos Curso de Física Geral F-428

2 A diversidade atômica

3 Os sólidos cristalinos

4 Os sólidos cristalinos: Exemplos em uma pequena janela

5 Os sólidos cristalinos: Exemplos em uma pequena janela

6 A diversidade das ligas

7 Os estados quânticos num cristal
Potencial de “Kronig-Penney” Potencial real

8 Soluções Auto energias & Novos números quânticos: os vetores de onda
Solução para o elétron livre Auto energias & Novos números quânticos: os vetores de onda Abertura de intervalos proibidos : os gaps

9 Um outro jeito de representar

10 Um exemplo em 3-D: GaAs

11 Soluções simuladas http://www.falstad.com/qm1dcrystal/
Observe: transição poço quântico - potencial periódico Largura das bandas: largura das barreiras ou distância entre poços Tamanho dos gaps: idem Periodicidade da densidade de estados

12 Como os estados são preenchidos?
Suponha que cada poço (átomo) contribua com dois elétrons:

13 Temos um semicondutor ou isolante

14 Como esses estados são preenchidos?
Suponha que cada poço (átomo) contribua com 3 elétrons:

15 Temos um metal! EF

16 Um exemplo em 3-D: GaAs Banda de condução Banda de valência
Elétrons de caroço Elétrons de caroço

17 Propriedades de transporte (ex.: condutividade) dependem de...
Estrutura eletrônica + ocupação dos estados; Densidade dos portadores de carga; Espalhamento dos portadores de carga; Resposta aos campos externos. Sistema isotrópico Tempo de espalhamento Densidade de portadores Estrutura eletrônica (massa efetiva)

18 Condutividade versus temperatura
Isolantes e semicondutores ( aumento do número de portadores ) Metais ( número de portadores constante com T )

19 Números típicos a temperatura ambiente
Tipo Unidade Metal (Cobre) Semicondutor (Silício) resistividade Ω . m 2 x 10-8 3 x 103 Concentração de portadores de carga m-3 9 x 1028 1 x 1016 onde:

20 Densidade de portadores I
Semicondutor Metal EF Distribuição de Fermi Dirac:

21 Densidade de estados quânticos [ No. de estados / (m3.Joule) ] :
Probabilidade de ocupação P(E) [ Estatística de Fermi-Dirac] :

22 Densidade de estados ocupados:
Para T = 0, o No. de elétrons de condução do metal (p. unid. de vol.) será: Onde usamos que N0(E) = N(E), pois P(E) = 1 em T = 0 Portanto, em T = 0:

23 Densidade de portadores II
Em metais n não varia com T Em metais qualquer perturbação faz as cargas se deslocarem Em semicondutores n varia com T Em semicondutores os portadores precisam ser criados com gasto finito de energia Isolantes e semicondutores ( aumento do número de portadores ) Metais ( número de portadores constante com T ) Temperatura

24 Densidade de portadores III
Como aumentar o número de portadores de carga em semicondutores ?

25 Semicondutores dopados
Semicondutor tipo p Semicondutor Semicondutor tipo n - + Nova energia de Fermi - +

26 Portadores em maioria e minoria
Semicondutor n Semicondutor p Portadores majoritários T finita Portadores minoritários

27 Semicondutores dopados II
Concentração de portadores de carga em semicondutores intrínsecos: ≈ m-3 Concentração de portadores de carga em semicondutores dopados: ≤ m-3 Ainda assim : 1/1000 do cobre !

28 Junções p-n Semicondutor p + - Semicondutor n - +

29 Junções p-n Semicondutor p - + Semicondutor n - +

30 Junções p-n p n Semicondutor p Semicondutor n - - + +

31 O Diodo Retificador Circuito Retificador p n

32 O Diodo Emissor de Luz (LED: Light-Emitting Diode)
p Recombinação n p Corte de um LED (detalhe)

33 O Laser Semicondutor Coerente Espelho semi-transparente Espelho p
Recombinação n Coerente

34 Transistores de efeito de campo