Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

Semicondutores Condutividade elétrica não tão alta quanto à dos metais. Banda de condução vazia valência preenchida Propriedades elétricas extremamente sensíveis à presença de impurezas mesmo em concentrações ínfimas. Semicondutor intrínseco tem suas características determinadas pela estrutura eletrônica do metal puro Semicondutor extrínseco tem suas propriedades elétricas ditadas pelas impurezas

para semicondutores intrínsecos, Par elétron-buraco T = 0 K T > 0 K + -  =elétrons + buracos n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3 e (b) = mobilidade de elétrons (buracos)  =n e e + p e b n = p para semicondutores intrínsecos,

Semicondutores intrínsecos Material Gap (eV)  (Ω-m)-1 e (m2/V-s) b (m2/V-s) Si 1,11 4x10-4 0,14 0,05 Ge 0,67 2,2 0,38 0,18 III-V GaP 2,25 - 0,05 0,002 GaAs 1,42 10-6 0,85 0,45 InSb 0,17 2x104 7,7 0,07 II-VI CdS 2,4 - 0,03 - ZnTe 2,26 - 0,03 0,01

Semicondutores extrínsecos Tipo n Si  P 4+ 5+ = Elétron excedente fracamente ligado Si P 

 Semicondutores extrínsecos Tipo n Energia Elétron livre na banda de condução  Estado doador

Semicondutores extrínsecos Tipo n n » p  ≈ n e e

Semicondutores extrínsecos Tipo p Estado receptor = Si  B 4+ 3+ Buraco na camada de valência Si B 

 Semicondutores extrínsecos Tipo p Energia Buraco na camada de valência

Semicondutores extrínsecos Tipo p p » n  ≈ p e b

Germânio Condutividade Elétrica (Ω-cm)-1 Temperatura (°C) Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Temperatura (°C) Condutividade Elétrica (Ω-cm)-1 Germânio C= constante Eg = energia do gap k = constante Boltzmann T = temperatura (K)

 Condutividade cresce com o aumento de T Crescimento de n e p 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. 

 =600(Ω-m)-1  =10-2(Ω-m)-1 Condutividade (-m)-1 Temperatura (K) Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga 4 10 Si+0,0052at%B Si+0,0013at%B 10 3 10 2  =600(Ω-m)-1 Condutividade (-m)-1 10 1 Si puro  =10-2(Ω-m)-1 10 10 -1 -2 10 50 100 200 400 1000 Temperatura (K)

Temperatura alta = Condutividade intrínseca Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Temperatura alta = Condutividade intrínseca ln  1/T 10 4 10 3 10 2 Saturação Extrínseca 10 1 Condutividade (-m)-1 10 Si Si+B 10 -1 -2 10 50 100 200 400 1000 Temperatura (K)

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

 Polarização direta 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

Junção retificadora com polarização direta Zona de recombinação - + Energia

Junção retificadora com polarização reversa Lado p Lado n + - Lado p Lado n - - + + + - -  + + - - - + + Polarização reversa

Junção retificadora com polarização reversa + -

Curva corrente-tensão para uma junção semicondutora + Corrente, I Fluxo direto V0 ID -V0 IR Ruptura - + ID» IR Diodo Zener Tensão, V Fluxo reverso -

Retificação com uma junção semicondutora ID » IR Corrente ID IR Tensão V0 -V0 Tempo Tempo

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)

O transistor de junção Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n. Silício tipo p Silício tipo n emissor base coletor Base n Emissor p Coletor Base p Emissor n Coletor

O transistor pnp buracos buracos - + buracos Carga 10 0,1 tensão de saída entrada Tensão direta Tensão reversa entrada (mV) Tensão de 0,1 saída (mV) 10 + - buracos

O transistor pnp Base n Emissor p Coletor VE IC I0 , B = constantes

Transistor = interruptor (sistema binário) O transistor MOSFET Ventrada Vsaída - + Porta Isolante, SiO2 Fonte Si tipo n Dreno - Si tipo P 50 nm Ventrada = 0  Vsaída = 0 Transistor = interruptor (sistema binário)

O transistor MOSFET

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!

Comportamento dielétrico Capacitor = “armazenador“ de energia elétrica. Q l A Q =carga em uma placa A = área da placa l = separação entre placas 0 = 8,85x10-12 F/m

Polarização Polarização + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Polarização Eletrônica Iônica Orientação (dipolos permanentes) Sem campo elétrico Com campo elétrico Eletrônica Iônica Orientação (dipolos permanentes)

 Constante dielétrica quantidade de energia armazenada  = constante dielétrica ( P=(-1)ºE )  quantidade de energia armazenada

Rigidez dielétrica Rigidez Dielétrica = É o maior campo elétrico que um dielétrico pode manter entre dois condutores. Rigidez Dielétrica =

Propriedades Elétricas

Dependência da Constante dielétrica com a freqüência Orientação Constante dielétrica Iônica Eletrônica Freqüência (Hz)