Aula 19 Condução de Eletricidade nos Sólidos

Transcrição

1 Aula 19 Condução de Eletricidade nos Sólidos Física 4 Ref. Halliday Volume4

2 Sumário Semicondutores; Semicondutores Dopados; O Diodo Retificador;

3 Níveis de Energia em um Sólido Cristalino relembrando... Vamos analisar a rede cristalina do cobre (sólido) Consideramos uma rede cristalina de N átomos, cada nível de energia do átomo isolado do cobre se desdobra em N níveis; Esse desdobramento dos níveis de energia nas redes cristalinas é que formam as bandas de energia separadas por bandas proibidas (níveis de energia que nenhum elétron pode acessar/ocupar); Uma banda de energia possui apenas alguns ev de largura; Num sólido temos N~1024, assim os níveis no interior de uma banda são muito próximos e a banda pode ser considerada praticamente contínua;

4 Níveis de Energia em um Sólido Cristalino relembrando... Formação de bandas de energia

5 Níveis de Energia em um Sólido Cristalino relembrando... As bandas de menor energia são mais estreitas que as de maior energia. Isso ocorre devido porque essas bandas estão relacionadas aos elétrons próximos do núcleo atômico e suas funções de onda não sofrem grande superposição;

6 Relembrando... Isolantes De modo geral, dizemos que um material é isolante se aplicarmos uma diferença de potencial e este não produz uma corrente elétrica (ou seja, que a energia cinética dos elétrons não aumente); Eg = gap de energia

7 Metais A diferença do metal em relação ao isolante é que o nível de energia mais alto ocupado pelos elétrons está no meio de uma banda de energia permitida!!!

8 Semicondutores Bandas de energia de um semicondutor Comparação: Diamante Eg 5,5 ev Silício Eg 1,1 ev

9 Semicondutores Bandas de energia de um semicondutor Comparação: Diamante Eg 5,5 ev Silício Eg 1,1 ev

10 Semicondutores Os portadores de carga do Silício existem apenas porque, em temperaturas maiores que zero absoluto, a agitação térmica faz com que alguns elétrons da banda de valência (muito poucos) adquiram energia suficiente para passar para a banda de condução, deixando o número igual de estados desocupados, chamados buracos ou lacunas, na banda de valência.

11 Semicondutores Elétrons de condução e lacunas/buracos (falta de elétrons) da banda de valência são considerados portadores de carga; Os buracos permitem o movimento dos elétrons; Se aplicarmos um campo elétrico os elétrons movem-se na direção oposta ao campo elétrico, enquanto, os buracos movem-se na mesma direção; Buracos comportam-se como (+e) Como eles se movimentam???

12 Semicondutores Caracterização elétrica do semicondutor Resistividade, onde: n=número de portadores; = tempo médio entre colisões dos portadores; n é mais relevante que as outras grandezas ( Si > cobre) o aumento de temperatura faz com que aumente a colisão de portadores com os íons da rede cristalina. Em metais a resistividade aumenta com a temperatura porque as colisões dos portadores de carga com os átomos da rede são mais frequentes a temperatura elevada/ na prática isso diminui a corrente elétrica. Em semicondutores, o aumento de temperatura faz aumentar a concentração de portadores de carga (e- e buracos)/ na prática isso aumenta a corrente elétrica.

13 Semicondutores Dopados Semicondutores Dopados

14 Semicondutores Dopados Semicondutor dopado tipo n: Átomo de Silício (14e-) 4e- da banda de valência / nível n=3

15 Semicondutores Dopados Como é feita da dopagem do semicondutor??? Substitui um pequeno número de átomos na rede do semicondutor por impurezas (Ex. A cada ~107 átomos de Si é substituído por um dopante). Que tipo de átomo???

16 Semicondutores Dopados tipo n Neste caso: Átomo de fósforo (valência =5) 4e- do fósforo forma ligações covalentes com 4e- do Si; O 5º e- não forma nenhum ligação e fica fracamente ligado ao núcleo do fósforo; Em um diagrama de níveis de energia, este elétron a mais ocupa um nível de energia (Ed) situado entre as bandas de valência e condução, a uma pequena distância Ed da banda de condução

17 Semicondutores Dopados tipo n Ed << Eg, a energia necessária para transferir o elétron de Ed para a banda de condução é muito menor do que de EV para EC; Átomo de fósforo (valência =5)

18 Semicondutores Dopados tipo n Átomo de fósforo (valência =5) Semicondutores dopados com átomos doadores são chamados de semicondutores tipo n; Nos semicondutores tipo n os elétrons são os portadores em maioria (portadores majoritários) e os buracos são os portadores em minoria (portadores minoritários); Outros exemplos de átomos doadores: arsênio, bismuto.

19 Semicondutores Dopados tipo p Neste caso: Átomo de Alumínio (Valência =3) 3e- do alumínio forma ligações covalentes com 3e- do Si; Existe uma lacuna (um buraco) em uma das ligações Si/Al; Em um diagrama de níveis de energia, este buraco ocupa um nível de energia situado entre as bandas de valência e condução, a uma pequena distância Ea da banda de valência

20 Semicondutores Dopados tipo p Ea << Eg, É necessária apenas uma pequena energia para que um elétron seja deslocado de uma ligação Si-Si vizinha para completar a lacuna, deixando um buraco na ligação covalente original (buraco se move na rede); Átomo de Alumínio (Valência =3)

21 Semicondutores Dopados tipo p kt = 25.7 mev para temperatura ambiente

22 Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido...você consegue compreender porque a resistividade de um semicondutor diminui quando há um aumento da temperatura? E porque a resistividade de um metal aumenta com a temperatura?

23 Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido...quais foram as vantagens tecnológicas trazidas ao nosso dia a dia devido às descobertas das propriedades microscópicas de um semicondutor?..

24 Aplicações: Junção p-n

25 A Junção p-n A junção p-n é um cristal semicondutor que foi dopado em uma região com uma impureza doadora e na outra região vizinha com uma impureza aceitadora; Esse tipo de junção está presente em muito tipos de dispositivos semicondutores; Suponha que a junção é formada por dois blocos semicondutores: um tipo n e outro tipo p, e formam um plano de junção; (para formar a junção não basta apenas encostar dois semicondutores (tipo p e tipo n). Tem que ser feito o crescimento dos filmes, um sobre o outro)

26 A Junção p-n O que acontece com os portadores de carga próximos ao plano de junção??? Ocorre o Movimento dos Portadores em Maioria (Majoritários) Gradiente de Difusão os elétrons do lado n tendem a se difundir para o outro lado (passam para o lado p ); Os buracos do lado p tendem a difundir para o lado n ;

27 A Junção p-n O movimento combinado de elétrons e buracos constitui uma corrente de difusão (Idif), cujo sentido convencional é da esquerda para direita (de acordo com esta figura). Sentido convencional de corrente é o movimento dos portadores de carga positivos; Quando um elétron do lado n chega ao lado p da junção, logo se combina com uma impureza aceitadora perto do plano de junção;

28 A Junção p-n Essa difusão de elétrons do lado n para o lado p da junção (e vice-versa) resulta na formação de carga espacial dos dois lados do plano de junção; Assim, o movimento dos portadores formam duas regiões de carga espacial, uma positiva e outra negativa; As duas regiões juntas formam uma zona de depleção de largura d0;

29 A Junção p-n Como consequência da formação de carga espacial, aparece uma diferença de potencial de contato (V0) entre as extremidades da zona de depleção;

30 A Junção p-n Porque as cargas difundem e formam uma região de largura d0???? Movimento de Portadores Minoritários V0 funciona como uma barreira para os portadores majoritários, mas facilita o movimento dos portadores minoritários; Cargas positivas procuram regiões de baixo potencial; Cargas negativas procuram regiões de alto potencial; O resultado deste movimento de elétrons e buracos minoritários constitui uma corrente de deriva (Ider)

31 A Junção p-n Junção p-n em equilíbrio Como existe V0, a corrente de difusão devido ao gradiente de concentração de elétrons e buracos é exatamente equilibrada por uma corrente de deriva no sentido oposto Portanto, é natural que as duas correntes se cancelem (em equilíbrio térmico);

32 O Diodo Retificador Um exemplo de aplicação da junção p-n é o diodo retificador. Quando colocamos um diodo num circuito, podemos aplicar uma diferença de potencial de duas diferentes formas em relação à junção p-n: Polarização Direta que como consequência uma corrente considerável atravessa a junção Polarização Inversa (ou reversa) como consequência uma corrente quase nula atravessa o diodo; Devido as propriedades do diodo, na eletrônica seu símbolo é:

33 O Diodo Retificador Polarização Direta consequência - uma corrente considerável atravessa a junção; lado p se torna mais positivo e o lado n se torna mais negativo; A barreira de potencial de contato (V0) diminui; V0 é uma barreira para portadores majoritários, portanto: Vext = tensão externa; dd = largura da zona de depleção com polarização direta; Se V0 é menor, um número maior de portadores majoritários consegue atravessar a barreira; Isso significa que Idif > Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (Idif) que percorre o circuito;

34 O Diodo Retificador Polarização Inversa corrente é quase nula; A barreira de potencial de contato (V0) aumenta; Se V0 é maior, um número (muito) menor de portadores majoritários consegue atravessar a barreira; Vext = tensão externa; di = largura da zona de depleção com polarização indireta; Isso significa que Idif < Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (II) que percorre o circuito;

35 O Diodo Retificador Gráfico para a Polarização Direta e Inversa

36 O Diodo Retificador Aplicação: Se aplicarmos uma tensão senoidal ao diodo retificador, essa é transformada em uma tensão retificada;

37 O Diodo Retificador Outras aplicações: Diodo Emissor de Luz (LED light emitting diode); ou OLED organic light emitting diodo; Fotocélula, célula fotovoltaica;

38 O Diodo Retificador Diodo Emissor de Luz (LED light emitting diode); ou OLED organic light emitting diodo;

39 O Diodo Retificador Diodo Emissor de Luz (LED light emitting diode); ou OLED organic light emitting diodo; A recombinação de elétrons e lacunas geram os fótons. - E como se gera diferentes cores??? Qual é a eficiência do LED comprado à lâmpadas incandescentes e fluorescentes??

40 O Diodo Retificador Diodo Emissor de Luz (LED light emitting diode); ou OLED organic light emitting diodo; Porque o LED azul foi merecedor de um prêmio Nobel?? Akasaki, de 85 anos, Amano, de 54, e Nakamura, de 60, venceram o Nobel de Física em 2014.

41 O Diodo Retificador Outras aplicações: Fotodiodo - Da mesma forma que a passagem de uma corrente em uma junção p-n pode produzir luz (LED), a incidência de luz em uma junção p-n pode dar origem a uma a uma corrente elétrica; Possui a propriedade de variar a sua resistência elétrica em função da intensidade da luz (número de fótons) nela incidente. Usados em: controle remoto/tv, alarmes, trancas elétricas, portas elétricas, etc; - Com a ausência de luz e reversamente polarizado (ligado ao contrário dos diodos comuns), o fotodiodo não conduz corrente elétrica (resistência elétrica"infinita"). - Por exemplo, se incidirmos luz na junção semicondutora do fotodiodo, a sua resistência elétrica diminui muito, havendo condução intensa de corrente elétrica (até alguns miliampères)

42 O Diodo Retificador Outras aplicações: Fotodiodo ( e células fotovoltaicas?);

43 Células fotovoltaicas Efeito fotoelétrico ocorre em qualquer tipo de material??...por exemplo, pode ocorrer em nosso corpo quando atingido por raios-x ou raios gama?

44 Células fotovoltaicas Possibilidade de vender o excesso à rede elétrica!

45 Células fotovoltaicas Possibilidade de vender o excesso à rede elétrica!