Ciência dos Materiais I

Apresentação em tema: "Ciência dos Materiais I"— Transcrição da apresentação:

1 Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz

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

3 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

4 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,

5 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

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

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

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

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

10  Semicondutores extrínsecos Tipo p Energia
Buraco na camada de valência

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

12 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)

13  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. 

14  =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)

15 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)

16 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  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

18 Junção retificadora com polarização direta
Zona de recombinação - + Energia

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

20 Junção retificadora com polarização reversa
+ -

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

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

23 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 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

25 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

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

27 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)

28 O transistor MOSFET

29 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!

30 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

31 Polarização Polarização + + + + + + + + + + + + + +

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

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

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

35 Propriedades Elétricas

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