Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

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1 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz Visão Geral sobre Proriedades Físicas e Alicações de Materiais: metais, olímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, comósitos Semicondutores Par elétronburaco T = > 0 K Banda de condução vazia Condutividade elétrica não tão alta quanto à dos metais. Proriedades elétricas extremamente sensíveis à resença de imurezas mesmo em concentrações ínfimas. Banda de valência reenchida Semicondutor intrínseco tem suas características determinadas ela estrutura eletrônica do metal uro Semicondutor extrínseco tem suas roriedades elétricas ditadas elas imurezas σ =σ elétrons σ buracos σ =n e µ e e µ b n = ara semicondutores intrínsecos, n () = n de elétrons (buracos)/m 3 µ e (µ b ) = mobilidade de elétrons (buracos)

2 Semicondutores intrínsecos Tio n Material Ga (ev) σ (Ωm) 1 µ e (m 2 /Vs) µ b (m 2 /Vs) 4 5 P Ge GaP GaAs InSb CdS ZnTe 1,11 0,67 2,25 1,42 0,17 2,4 2,26 4x10 4 2,2 IIIV x10 4 IIVI 0,14 0,38 0,05 0,85 7,7 0,03 0,03 0,05 0,18 0,002 0,45 0,07 0,01 P Elétron excedente fracamente ligado = Tio n Tio n Energia Elétron livre na banda de condução Estado doador n» σ n e µ e

3 Tio Tio 4 3 B Buraco na camada de valência B = Estado recetor Energia Buraco na camada de valência Tio Efeito da temeratura sobre a condutividade e a concentração dos ortadores de carga» n σ e µ b Condutividade Elétrica (Ωcm) 1 Germânio Eg lnσ C 2kT C= constante E g = energia do ga k = constante Boltzmann T = temeratura (K) Temeratura ( C)

4 Efeito da temeratura sobre a condutividade e a concentração dos ortadores de carga Efeito da temeratura sobre a condutividade e a concentração dos ortadores de carga Condutividade cresce com o aumento de T Crescimento de n e é suerior à diminuição de µ e e µ b. Condutividade (Ωm) ,0052at%B ,0013at%B uro Temeratura (K) σ =600(Ωm) 1 σ =10 2 (Ωm) 1 Efeito da temeratura sobre a condutividade e a concentração dos ortadores de carga Efeito da temeratura sobre a condutividade e a concentração dos ortadores de carga 10 4 Temeratura alta = Condutividade intrínseca A variação de n e com a temeratura é semelhante à variação da condutividade: Condutividade (Ωm) Temeratura (K) ln σ Saturação lnσ Eg = 1 2k T 1/T Extrínseca B ln n = ln C E g 2kT C = constante C

5 Disositivos semicondutores Junção retificadora com olarização direta O Diodo (junção retificadora) é um disositivo eletrônico que ermite a assagem de corrente elétrica em aenas um sentido. Zona de recombinação Lado Lado n Lado Lado n Energia Polarização direta Junção retificadora com olarização reversa Junção retificadora com olarização reversa Lado Lado n Lado Lado n Polarização reversa

6 Curva correntetensão ara uma junção semicondutora Retificação com uma junção semicondutora Corrente, I Fluxo direto I D» I R I D I D Rutura V Diodo Zener 0 I R Fluxo reverso V 0 Tensão, V I D» I R V 0 Tensão Corrente I R V 0 Temo Temo O transistor O transistor de junção Transistor = amlificador Duas junções n em configurações n ou nn. Transistor = interrutor Os dois rinciais tios de transistores são os de junção e os MOSFET (metaloxidesemiconductor field effect transistor) Emissor Emissor n Base n Base Coletor Coletor n lício tio n lício tio emissor base coletor

7 O transistor n O transistor n Tensão de entrada (mv) Tensão direta 0,1 buracos tensão de entrada Tensão de saída (mv) buracos 10 Carga tensão de saída buracos Tensão reversa I Emissor C V E Base n = I Coletor 0 I C e V / B E I 0, B = constantes O transistor MOSFET O transistor MOSFET Fonte tio n V entrada V saída Porta Isolante, O 2 Dreno tio n tio P 50 nm V entrada = 0 V saída = 0 Transistor = interrutor (sistema binário)

8 Outras alicações de semicondutores Comortamento dielétrico Termístores: como a condutividade elétrica dos semicondutores deende da temeratura, eles odem ser usados como termômetro! Sensores de ressão: como a estrutura de banda e E g são funções do esaçamento entre os átomos do semicondutor, a condutividade elétrica ode ser usada ara medir a ressão atuando sobre o material! Caacitor = armazenador de energia elétrica. Caacitânc ia C = C ε0 A l Q V Q A = Q =carga em uma laca A = área da laca l = searação entre lacas ε 0 = 8,85x10 12 F/m l Polarização Polarização Sem camo elétrico Com camo elétrico Polarização Eletrônica Iônica Orientação (diolos ermanentes)

9 Constante dielétrica Rigidez dielétrica C A = ε l ε =κε 0 É o maior camo elétrico que um dielétrico ode manter entre dois condutores. V Rigidez Dielétrica = l max κ = constante dielétrica ( P=(κ1)ε º E ) κ quantidade de energia armazenada Proriedades Elétricas Deendência da Constante dielétrica com a freqüência Constante dielétrica Orientação Iônica Eletrônica Freqüência (Hz)