Semicondutores são materiais cuja condutividade elétrica se situa entre os metais e os isolantes

Transcrição

1 Semicondutores

2 Semicondutores são materiais cuja condutividade elétrica se situa entre os metais e os isolantes

3 Semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC), banda de valência totalmente preenchida e a banda de condução vazia (gap da ordem de 1 ev) comporta-se como um isolante, Alguns elétrons podem ser excitados termicamente para a banda de condução, deixando estados vacantes na banda de valência, que se comportam como partículas positivas. Cada excitação térmica promove um elétron para a banda de condução formam-se dois portadores de carga: elétrons e lacunas (vazios)

4 ACIMA DO ZERO ABSOLUTO A energia térmica quebra algumas ligações covalentes, isto é, envia alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução. Sob ação do campo elétrico, estes elétrons livres movem-se Cada vez que um elétron é bombeado para a banda de condução, cria-se uma lacuna na banda de valência. Quanto mais alta a temperatura, maior o número de elétrons de valência empurrados para a banda de condução e maior a corrente. À temperatura ambiente (25ºC) a corrente é pequena demais para ser utilizável. À essa temperatura um pedaço de silício não é bom isolante nem bom condutor, por esta razão é chamado semicondutor.

5 Semicondutores extrínsecos Comportamento elétrico é determinado pelas impurezas Impurezas formam soluções sólidas substitucionais muito diluídas nas quais os átomos de impurezas dissolvidos têm características de valência diferentes dos átomos da rede cristalina

6 Semicondutores intrínsecos tipo n Solução sólida com átomos com valência maior. Ex: Silício dopado com arsênio haverá 1 elétron em excesso (fracamente ligado ao núcleo positivamente carregado do arsênio) Electrão livre do Arsénio Impureza desse tipo doador (doa um elétron para a banda de condução)

7 Semicondutor tipo p Solução sólida com átomos com valência menor. Ex: Silício dopado com Boro Uma das ligações covalentes ao redor de cada um dos átomos de boro fica deficiente em um elétron Impureza desse tipo - receptor, pois ela é capaz de aceitar um elétron da banda de valência, deixando para trás um buraco

8 Cerâmicas semicondutoras - Varistores - termistores - elementos de aquecimento Elementos de aquecimento Ex: SiC, MoSi 2, grafita Ex. SiC semicondutor extrínseco - tipo n (dopado com N) e tipo p (dopado com Al) Há eficiente condutividade para dar passagem a corrente, entretanto, sua resistência é apreciavelmente maior que a dos metais e dá origem, assim, a um aquecimento ôhmico considerável Efeito Joule se uma voltagem é aplicada a uma substância que tem uma certa resistência, a energia proporcional ao quadrado da corrente através da substância será convertida em calor

9 -Várias marcas comerciais, incluindo Globar e StarBar. - Podem ser utilizados ao ar até 1650 C. - Ciclo de vida - Os fatores que influenciam o ciclo de vida útil de um elemento de aquecimento de carbeto de silício: tipo de atmosfera do forno, a densidade em watt, a temperatura de trabalho, o tipo de serviço (contínuo ou intermitente) e a manutenção. Um elemento de aquecimento de carbeto de silício (SiC) é tipicamente uma barra cilíndrica extrudada ou cilindro fabricado a partir de partículas de alta pureza de carbeto de silício que são sinterizados em um só corpo através do processo de união de reações ou de recristalização a temperaturas que ultrapassam 2150 C. A recristalização forma finas partículas de carbeto de silício que atuam como pontes ou pontos de conexão entre os grãos maiores formando, portanto, cursos condutores. O número de pontes formado determina a resistência do material quanto maior for o número, mais baixa será a resistência. Os elementos de aquecimento de carbeto de silício, sendo 20 30% porosos, oxidam ou reagem com a atmosfera do forno e aumentam sua resistência durante seu ciclo de vida operacional. A oxidação causa uma redução na área da seção transversal das pontes, resultando em maior resistência para o fluxo elétrico. O oxigênio no ar reage com a partícula de carbeto de silício, transformando-a em sílica (SiO2) como indicado pela equação SiC + 2O 2 SiO 2 + CO 2 Na maioria dos casos, os elementos de aquecimento de carbeto de silício apresentam falhas mecânicas bem antes de apresentar falhas devido ao envelhecimento.

10 SiC MoSi 2

11 Termistores Thermistor thermally sensitive resistor Materiais cerâmicos semicondutores nos quais a resistência varia em função da temperatura São resistores termicamente sensíveis, cujas características exibem grandes mudanças na resistência com uma pequena mudança da temperatura do corpo, devido à alteração na concentração de portadores de carga. Usado para medição e controle de temperatura NTC (negative temperature coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência negativo em função da temperatura a resistência diminui com o aumento da temperatura PTC (positive temperature Coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência positivo em função da temperatura a resistência aumenta com o aumento da temperatura

12 Materiais utilizados na fabricação de termistores óxidos cerâmicos semicondutores dos elementos Mn, Ni, Fe, Co e Cu ou uma combinação desses óxidos, sob a forma de solução sólida Ex: Fe 3 O 4 Possuem íons com valência dupla estrutura do espinélio invertida (16 posições octaedrias e 8 posições tetraedrais) Íons Fe 2+ ocupam os interstícios octaedrais íons Fe 3+ ocupam metade dos interstícios octaeidras e todos os interstícios tetraedrais Boa condutividade está associada a localização aleatória dos íons Fe 2+ e Fe 3+ nos espaços octaedrais, de forma que a transferência de elétrons pode ser realizada entre os íons Fe 3+ e Fe 2+ mantendo-se a neutralidade MnO com íons Li em solução sólida - íons trivalente estabelecem os vazios eletrônicos - a temperaturas elevadas, os elétrons movem-se para esses vazios, reduzindo a resistividade

13 Varistores 1957 ZnO-TiO ZnO-Al 2 O 3 e ZnO-Bi 2 O cerâmicas multicomponentes com propriedades muito superiores 97%ZnO-1%Sb 2 O 3-0,5%MnO-0,5%CoO-0,5%Cr 2 O 3 São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não ôhmica Varistores comuns são produzidos por um processo de sinterização de cerâmicas prensadas que dão origem a uma estrutura desordenada de grãos condutores de ZnO cercados por finas barreiras isolantes.

14 São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não ôhmica A não-linearidade I x V é definida pela equação empírica I corrente V potencial elétrico K- constante relacionada a microestrutura do material A coeficiente de não linearidade

15 1. Região linear de baixa corrente comportamento ôhmico 2. Região não linear na qual a corrente varia amplamente e o potencial correspondente tem pouca variação 3. Região linear de alta corrente

16 Modelo para descrever as propriedades não-ohmicas -Presença de uma barreira de potencial localizada na região entre os grãos -Nos varistores de ZnO dopados grãos de ZnO dopados envolvidos numa matriz (filme de Bi 2 O 3 ) cerâmica isolante -Na região não-linear difusão do zinco, do oxigênio e dos elementos dopantes durante o processo de operação do varistor, dando origem à formação da barreira de potencial nos contornos de grão - A baixas voltagens material exibe baixa condutividade elétrica, porque a matriz isolante previna a passagem de corrente elétrica entre os grãos de ZnO - A altas voltagens elétrons tem suficiente energia para sobrepor as barreira isolantes entre os grãos de ZnO condutores -A barreira de potencial existentes no contorno de grão, formada pelos dopantes, é dependente da quantidade de defeitos induzidos por estes

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18 Varistores de SnO 2 SnO 2 não densifica, predominância de mecanismos não-densificantes, como evaporação-condensação -Adição de CoO densifica até 98,5% DT -Sistema SnO 2 -CoO microestrutura mias homogênea, facilita o controle microestrutural durante a sinterização - Dopantes Nb 2 O 5, Cr 2 O 3, Ta 2 O 5, MnO 2

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20 Aplicações: pára-raios dispositivos eletrônicos para proteção contra sobrecarga de tensão em circuitos eletrônicos Dispositivos de descarga elétrica na rede de distribuição de energia Proteção de equipamentos eletro-eletrônicos de uso residencial e industrial

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