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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 www.sorocaba.unesp.br/gpm Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz.

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1 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

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

3 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores Banda de condução 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

4 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 T = 0 K Par elétron-buraco + - = elétrons + buracos =n e e + p e b n (p) = n° de elétrons (buracos)/m 3 e ( b ) = mobilidade de elétrons (buracos) T > 0 K n = p para semicondutores intrínsecos,

5 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores intrínsecos 0,010,03-2,26ZnTe -0,03-2,4CdS 0,077,72x10 4 0,17InSb 0,450, ,42GaAs 0,0020,05-2,25GaP 0,180,382,20,67Ge 0,050,144x ,11Si b (m 2 /V-s) e (m 2 /V-s) (-m) -1 Gap (eV)Material III-V II-VI

6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores extrínsecos Tipo n Si P Si P 4+5+ Elétron excedente fracamente ligado =

7 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores extrínsecos Tipo n Energia Elétron livre na banda de condução Estado doador

8 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores extrínsecos Tipo n n » p n e e

9 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Semicondutores extrínsecos Tipo p Si B Si B 4+3+ Buraco na camada de valência Estado receptor =

10 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Energia Buraco na camada de valência Semicondutores extrínsecos Tipo p

11 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 p » n p e b Semicondutores extrínsecos Tipo p

12 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Temperatura (°C) Condutividade Elétrica (-cm) -1 Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Germânio C = constante E g = energia do gap k = constante Boltzmann T = temperatura (K)

13 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 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.

14 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula Temperatura (K) Si puro Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga 400 Condutividade ( -m) -1 Si+0,0013at%B Si+0,0052at%B =10 -2 (-m) -1 =600(-m) -1

15 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula Temperatura (K) 400 Condutividade ( -m) -1 Saturação Extrínseca ln 1/T Si+B Si Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Temperatura alta = Condutividade intrínseca

16 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 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: C = constante C

17 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Dispositivos semicondutores O Diodo (junção retificadora) é um dispositivo eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido Lado pLado n Lado pLado n Polarização direta

18 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Energia Junção retificadora com polarização direta Zona de recombinação -+

19 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Junção retificadora com polarização reversa Lado pLado n Polarização reversa Lado pLado n

20 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Junção retificadora com polarização reversa + -

21 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 V0V0 IDID -V 0 IRIR Fluxo reverso Fluxo direto Tensão, V Corrente, I Ruptura Curva corrente-tensão para uma junção semicondutora I D » I R Diodo Zener

22 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Retificação com uma junção semicondutora I D » I R Tensão V0V0 -V 0 Corrente IDID IRIR Tempo

23 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 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)

24 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 O transistor de junção Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n. Base n Emissor p Coletor p Base p Emissor n Coletor n Silício tipo p Silício tipo n emissor base coletor

25 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 O transistor pnp Carga tensão de saída tensão de entrada Tensão direta Tensão reversa Tensão de entrada (mV) 0,1 Tensão de saída (mV) buracos

26 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Base n Emissor p Coletor p O transistor pnp VEVE ICIC I 0, B = constantes

27 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 O transistor MOSFET Si tipo P Fonte Si tipo n Dreno Si tipo n Isolante, SiO 2 Porta V entrada V saída nm V entrada = 0 V saída = 0 Transistor = interruptor (sistema binário)

28 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 O transistor MOSFET

29 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 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 E g são funções do espaçamento entre os átomos do semicondutor, a condutividade elétrica pode ser usada para medir a pressão atuando sobre o material!

30 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Comportamento dielétrico Capacitor = armazenador de energia elétrica. Q l A Q =carga em uma placa A = área da placa l = separação entre placas 0 = 8,85x F/m

31 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Polarização Polarização

32 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Polarização Eletrônica Iônica Orientação (dipolos permanentes) Sem campo elétricoCom campo elétrico

33 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Constante dielétrica = constante dielétrica ( P=( -1) º E ) quantidade de energia armazenada

34 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Rigidez dielétrica É o maior campo elétrico que um dielétrico pode manter entre dois condutores. Rigidez Dielétrica =

35 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Propriedades Elétricas

36 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10 Freqüência (Hz) Constante dielétrica Orientação Iônica Eletrônica Dependência da Constante dielétrica com a freqüência


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