Teoria da Ligação Química em Metais e Semicondutores

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Giulia Eger de Sousa
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1 Teoria da Ligação Química em Metais e Semicondutores Pode explicar Brilho Condutividade térmica t e eléctrica. Maleabilidade Estas propriedades estão relacionadas com a mobilidade electrónica Valentim Nunes, DEQA, IPT, 2007

2 Condutividade eléctrica. Metais condutividade diminui com a temperatura. Semicondutores aumenta com a Temperatura Isoladores condutividade muito baixa.

3 Teoria de Bandas Ideia básica por trás da descrição da estrutura electrónica dos sólidos é que os electrões de valência doados pelos átomos estão espalhados por toda a estrutura. ~10 23 átomos!

4 Teoria de bandas da condutividade os electrões deslocalizados movem-se livremente através de bandas formadas pela sobreposição das orbitais moleculares. Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ou [Ne]3s 2

bandas formadas pela sobreposição das orbitais

5 Comparação dos hiatos energéticos entre a banda de valência e a banda de condução num metal, num semicondutor e num isolador

6 Berílio e OM 1500 MOs P* vazios 2000 OMs vazias 1500 MOs p 500 MOs σ* OMs ligantes misturam-se e OMs antiligantes misturam-se preenchidos 2000 OMs Semi-preenchidas 500 MOs σ 1000 átomos de Be --> 1000 OMs de orbitais s e 3000 OMs de orbitais p 1000 pares de e- Uma ligação por átomo de Be

2000 OMs Semi-preenchidas 500 MOs σ 1000 átomos de Be --> 1000 OMs de

7 Alumínio e OM Usar 1000 átomos de Al e obter 4000 OM 2000 OM Temos 3000 e- ou 1500 pares Isto preenche 3/4 dos níveis inferiores OM 1.5 pares por átomo de Al Isto resulta em 3/2 ligações por átomo de Al

preenche 3/4 dos níveis inferiores. 2000 OM 1.

8 Silício e OM Considerar 1000 átomos de Si 4000 e- ou 2000 pares 2 pares por átomo de Si Banda completamente preenchida 2000 OM 2000 OM Isto dá 2 ligações por átomo de Si

9 Entalpia de Vaporização H de vaporização (ou atomização) é uma boa medida da ligação em sólidos. M(s) ---> M(g) Variação de energia = H vap Valores de H elevados para os metais de transição indicam a participação de orbitais d.

10 Entalpia de Vaporização

11 Nível defermi A HOMO a T = 0 é designado nível de Fermi. A Temp > 0, electrões próximos do nível de Band gap Nos metais Níveis antiligantes e ligantes Misturam-se O hiato entre bandas desaparece Fermi level Fermi podem ser promovidos para níveis vazios próximos. Estes e- promovidos são móveis e movem-se sob acção de um campo eléctrico. Esta promoção origina e- em níveis elevados e buracos nos níveis mais baixos.

Misturam-se O hiato entre bandas desaparece Fermi level Fermi podem ser promovidos para níveis vazios

12 Conductividade Eléctrica Banda de conducão Níveis vazios Niveis preenchidos energia e- + Banda de valência

13 Empty levels Filled levels Add energy e- + Condutividade Eléctrica Condutividade metálica DECRESCE com o aumento de T. Capacidade do e- para se mover ao longo do sólido numa banda de condução depende da uniformidade do arranjo dos átomos. Um átomo vibrando vigorosamente na rede cristalina causa a ruptura das OM. Logo, maior T implica menor condutividade.

Capacidade do e- para se mover ao longo do sólido numa banda de condução depende da

14 Isoladores 6 ev no diamante banda de valência completa Poucos e - da banda de valência têm energia suficiente para se moverem para a banda de condução.

15 Semicondutores Elementos do Grupo 4A C (diamante) é um isolador Si, Ge,, e Sn cinza são semicondutores Todos possuem a estrutura do diamante, que parece especialmente favorável vel ao comportamento de semicondutor. Sn branco e Pb são metais.

possuem a estrutura do diamante, que parece especialmente

16 Teoria de Bandas & Semicondutores Semicondutores têm uma estrutura de bandas similar aos isoladores mas o hiato de energia é menor. Hiato = 0.5 a 3.0 ev Pelo menos alguns electrões têm energia térmica suficiente para serem promovidos para uma banda vazia.

17 Teoria de Bandas & Semicondutores banda de conducão e- e- e- Hiato pequeno Electrões podem ser promovidos termicamente. Quanto mais alta a temperatura mais electrões são promovidos. Banda de valência

18 Semicondutores Intrínsecos nsecos banda de conducão e- e- e- Hiato de energia Banda de valência Grupo 4A Band gap (ev) C 6.0 Si 1.1 Ge 0.7 Sn (>13 C) 0.1 Sn branco (<13 C) 0 Chumbo 0

19 Semicondutores Extrínsecos Condutividade é controlada por vestígios (~5x10-6 ) de dopantes como Ga (ou Al) ou As O átomo dopante toma o lugar de um átomo de Si. Átomo dopante tem menos um e- que o Si (= Ga ou B) ou mais um electrão que o Si (= As ou P).

20 Semicondutores Si [Ne]3s 2 3p 2 semicondutores do tipo n impurezas doadoras P [Ne]3s 2 3p 3 semicondutores do tipo p impurezas aceitadoras B [Ne]3s 2 3p 1

21 Semicondutor Tipo-p Banda de Conducão e- e- e- 1.1 ev Nível de aceitador Nível aceitador é superior ao nível de Fermi. Electrões são facilmente promovidos ao nível aceitador. Banda de Valência

22 Semicondutor Tipo-n 1.1 ev Banda de Condução e- e- e- Nível dador Banda de Valência As tem 5e- logo temos um e- extra. Electrões promovidos do nível dador para a banda de condução. Os electrões são portadores de carga.

23 Semicondutores Condutividade dos semicondutores extrínsecos pode ser controlada rigorosamente. semicondutores Intrínsecos nsecos são muito dependentes da T e de impurezas.

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