Semicondutores Extrínsecos

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1 Semicondutores Extrínsecos Grupo 14 Grupo 13 Grupo 15 Tipo p: Impurezas com 3 electrões de valência Tipo n: Impurezas com 5 electrões de valência + Li

2 Si ([Ne]3s 2 3p 2 ) dopado com As ([Ar]3d 10 4s 2 4p 3 ) e Si ([Ne]3s 2 3p 2 ) dopado com B (1s 2 2s 2 2p 1 ) e +

3 Impurezas do Grupo 15 E Diagrama de Bandas de Energia [As(Si 4 )] 0 E i (Si) = 8.15 ev E i (As) = 9.81 ev 4 OM σ*sp 3 3p 4p 3s 4s As 4 OM σsp 3 As(sp 3 ) [As(Si 4 )] Si(sp 3 ) Si

4 E Diagrama de Bandas de Energia X[As(Si 4 )] X 0 E i (As) = 9.81 ev E i (Si) = 8.15 ev 4X OM σ*sp 3 (X e - s) 3p 4p 3s 4s As 4X OM σsp 3 (preenchidas) As(sp 3 ) X[As(Si 4 )] Si(sp 3 ) Si

5 Diagrama de Bandas de Energia E 0 Cristal com X unidades e N-X unidades E i (As) = 9.81 ev Si 3p 4p Si(sp p 3 ) E i (Si) = 8.15 ev [Si(Si 4 )] N-x BC 4X OM σ*spσ 3 (X e - s) 4(N-X) OM σ*sp 3 Nível de impureza 3p 3s BV 4(N-X) OM σsp 3 3s 4s As As(sp 3 ) 4X OM σsp 3 (preenchidas) X[As(Si 4 )] Si(sp 3 ) Si

6 Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos E Tipo n (portadores maioritários: n) BC E id nível de impureza doadora E F E g BV

7 Diagrama de Bandas de Energia E 0 Cristal com X unidades e N X unidades E i (Ga) = 6,00 ev 4p Si 3p Ga(sp 3 ) [Si(Si 4 )] N x 4X OM σ*sp 3 (vazias) BC 4(N X) OM σ*sp 3 E i (Si) = 8,15 ev 3p 3s 4s Si(sp 3 ) 4X OM σsp 3 (7X e s) Nível de impureza 4X OM BVσsp 3 4(N X) OM σsp 3 3s Ga Ga(sp 3 ) X[Ga(Si 4 )] Si(sp 3 ) Si

8 Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos E Tipo n (portadores maioritários: n) Tipo p (portadores maioritários: p) BC E id nível de impureza doadora E F BC E g E g BV E nível de impureza aceitadora F E ia BV

9 Variação da mobilidade de portadores com a temperatura A baixas temperaturas (zona extrínseca): μ = b T 3/2 A temperaturas elevadas (zona intrínseca): μ = a T -3/2 log μ declive: 3/2 declive: -3/2 Regime extrínseco Regime intrínseco T / K

10 Variação da densidade de portadores com a temperatura Zona extrínseca ou de impureza: n = n 0 T 3/4 N d e - E id/2k B T (tipo n) ou p = p 0 T 3/4 N a e -E ia/2k B T (tipo p) Zona de saturação: n constante (tipo n) ou p constante (tipo p) Zona intrínseca : n p = constante T 3/2 e -E g/2k B T Semicondutor extrínseco tipo n: log n e log p Impurezas totalmente ionizadas Zona intrínseca Zona de saturação Zona extrínseca p n linha intrínseca (declive = -E g /2k B ) 1/T / K -1

11 Variação da condutividade de portadores com a temperatura log σ Zona intrínseca Zona de saturação Zona extrínseca σ =N d e at -3/2 σ = bt 3/2 e n 0 T 3/4 N d e -E id/2k B T = constante T 9/4 -E id /2k B T σ = σ -E g/2k B T 0 e e 1/T / K -1

12 Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente prata 10 8 ouro alumínio grafite (valor médio) Condutores σ / S m germânio silício vidro comum Semicondutores 10 8 cloreto de sódio baquelite Isoladores micas polietileno 10 18

13 Isolantes BC Diagrama de Bandas de Energia E g >3 ev BV Carbono diamante E 4 OM σ*sp 3 4N σ* σsp 3 * (banda de condução) E g (banda proibida) Csp 3 4 OM σsp 3 4N σ [C(C 4 )] [C(C 4 )] N σsp 3 (banda de valência)

14 E 0 E i (B) Compostos Iónicos AB A do grupo 17 (np 5 ) e B do grupo 1 (ns 1 ) Banda com 4N níveis, vazia N átomos de B 4N níveis de valência E i (A) E g > 3eV N átomos de A 4N níveis de valência Banda com 4N níveis, preenchida (8N electrões) Conduzem a corrente eléctrica quando fundidos, por movimento orientado dos iões

15 Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente prata 10 8 ouro alumínio 10 6 grafite (valor médio) germânio σ / S m silício vidro comum 10 8 cloreto de sódio Polímer ros Conjugad dos Condutores Semicondutores baquelite Isoladores micas polietileno 10 18

16 Polímeros Condutores e Semicondutores condutores semicondutores orbitais σ*, vazias Banda com as orbitais π preenchidas e as π* vazias Eg σ*, vazias π* vazias π preenchidas orbitais σ, preenchidas σ, preenchidas

17 Alan G. MacDiarmid (EUA, NZ) Polímeros Condutores Hideki Shirakawa (Japão) Alan Meeger (EUA)

18 Polímeros Conjugados Poliacetileno (PA) Polipirrole (PPy) (Pirrole)

19 Polianilina Vantagens dos polímeros condutores: propriedades mecânicas Utilizações: Emissão de luz: polímeros electroluminescentes Células solares (voltaicas)

20 Supercondutores Abaixo de uma temperatura crítica conduzem a corrente eléctrica sem qualquer resistência: i há uma modificação brusca das propriedades d de metal (Descoberta em 1911 por Heike Onnes) Tipo 1 : Metais e Metalóides com alguma condutividade à T ambiente. Transição à supercondutividade muito abrupta e diamagnetismo perfeito. Re esistividad de / Ω m 0 Metal não supercondutor T c Supercondutor Temperatura / K E li ã t ó i 1957 (B d C S h i ff ) T i BCS Explicação teórica em 1957 (Bardeen, Cooper e Schrieffer) Teoria BCS - Prémio Nobel da Física em A corrente eléctrica é transportada por pares de electrões (pares de Cooper)

21 Estado supercondutor A passagem de um e - entre os átomos carregados positivamente atrai-os para dentro e causa uma distorção. A rede distorcida cria uma região de potencial mais positivo que atrai outro electrão forma-se um par de Cooper. Estado supercondutor + Área de distorção v v + Par de Cooper Os dois electrões (pares de Cooper) ficam ligados e movem-se através da rede +

22 Exemplos de supercondutores de Tipo 1 Metal/Metalóide T c Lead (Pb) Lanthanum (La) Tantalum (Ta) Mercury (Hg) Indium (In) Thallium (Tl) Rhenium (Re) Protactinium (Pa) Thorium (Th) Aluminum (Al) Gallium (Ga) Molybdenum (Mo) Osmium (Os) Zirconium (Zr) Cadmium (Cd) Ruthenium (Ru) Titanium (Ti) Uranium (U) Hafnium (Hf) Iridium (Ir) Beryllium (Be) Tungsten (W) Rhodium (Rh) K 4.88 K 4.47 K 415K K 2.38 K K 140K K K K K 0.66 K 0.61 K K 049K K 0.20 K K K K (SRM 768) K K Estrutura FCC HEX BCC RHL TET HEX HEX TET FCC FCC ORC BCC HEX HEX HEX HEX HEX ORC HEX FCC HEX BCC FCC

23 Supercondutores Tipo 2: Compostos metálicos Ligas Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos) Transição à supercondutividade muito suave e temperaturas críticas mais elevadas que os de Tipo 1. YBa 2 Cu 3 O 7 (T c = 92 K) Cuprato (óxido de cobre) Re esistividade e / Ω m Temperatura / K Vários mecanismos propostos (estrutura em camadas)

24 Exemplos de supercondutores de Tipo 2 Compostos metálicos Ligas Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos) Supercondutor (Tl4Ba)Ba 2 Ca 2 Cu 7 O InSnBa 4 Tm 4 Cu 6 O 18+ (*) (Hg 0.8 Tl 0.2 )Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 HgBa 2 Ca 3 Cu 4 O 10+ T c ~150 K 138 K K K Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K (Tl 1.6 Hg 0.4 )Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K TlBa 2 Ca 2 Cu 3 O K Sn 2 Ba 2 (Ca 0.5 Tm 0.5 )Cu 3 O x ~115 K SnInBa 4 Tm 3 Cu 5 O x ~113 K Bi 1.6 Pb 0.6 Sr 2 Ca 2 Sb 0.1 Cu 3 O y 115 K (filme espesso em substrato de MgO) (*) Patente pendente

25 Levitação magnética (efeito de Meissner) Um supercondutor abaixo de T c tem diamagnetismo perfeito e é repelido por um campo magnético aplicado Maglev de Shanghai

26 Sumário 22 Propriedades Eléctricas dos Materiais Semicondutores Extrínsecos - Tipo n e Tipo p. Diagramas de bandas de energia - Portadores maioritários. Nível de Fermi - Variação da mobilidade, densidade de portadores e condutividade com a temperatura Isolantes - Diagramas de bandas de energia - Exemplos Polímeros Condutores e Semicondutores - Diagrama de bandas de energia - Vantagens e Utilizações Supercondutores - Tipo 1 e Tipo 2. Exemplos. - Efeito de Meissner