Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

1. Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

2. Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos

3. Banda de condução vazia Banda de valência preenchida Semicondutores Condutividade elétrica não tão alta quanto à dos metais. Propriedades elétricas extremamente sensíveis à presença de impurezas mesmo em concentrações ínfimas. Semicondutorintrínsecotem suas características determinadas pela estrutura eletrônica do metal puro Semicondutor extrínseco tem suas propriedades elétricas ditadas pelas impurezas

4. - + Par elétron-buraco T = 0 K T > 0 K  =elétrons + buracos n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3 e (b) = mobilidade de elétrons (buracos)  =n e e + p e b n = p para semicondutores intrínsecos,

5. Semicondutores intrínsecos Material Gap (eV)  (Ω-m)-1 e (m2/V-s) b (m2/V-s) Si 1,11 4x10-4 0,14 0,05 Ge 0,67 2,2 0,38 0,18 III-V GaP 2,25 - 0,05 0,002 GaAs 1,42 10-6 0,85 0,45 InSb 0,17 2x104 7,7 0,07 II-VI CdS 2,4 - 0,03 - ZnTe 2,26 - 0,03 0,01

6. 4+ 5+ Si  = P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Semicondutores extrínsecos Tipo n Si  P Elétron excedente fracamente ligado

7. Estado doador Semicondutores extrínsecos Tipo n Energia Elétron livre na banda de condução 

8. Semicondutores extrínsecos Tipo n n»p  ≈ n e e

9. 4+ 3+ Si Estado receptor =  B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Semicondutores extrínsecos Tipo p Si B Buraco na camada de valência

10. Semicondutores extrínsecos Tipo p  Energia Buraco na camada de valência

11. Semicondutores extrínsecos Tipo p p»n  ≈ p e b

12. Condutividade Elétrica (Ω-cm)-1 Temperatura (°C) Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Germânio C= constante Eg= energia do gap k= constante Boltzmann T= temperatura (K)

13. Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Crescimento de n e p é superior à diminuição de e e b. Condutividade cresce com o aumento de T 

14. Si+0,0052at%B 3 10 Si+0,0013at%B 2 10 1 10 0 10 -1 10 Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga 4 10  =600(Ω-m)-1 Condutividade (-m)-1  =10-2(Ω-m)-1 Si puro -2 10 400 50 100 200 1000 Temperatura (K)

15. 3 10 2 10 1 ln  10 0 10 -1 10 1/T Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga Temperatura alta = Condutividade intrínseca 4 10 Saturação Extrínseca Condutividade (-m)-1 Si+B Si -2 10 50 100 200 1000 400 Temperatura (K)

16. Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga A variação de n e p com a temperatura é semelhante à variação da condutividade: C ’= constante ≠ C

17. Lado p Lado n + + - - + + - - - + + - + + - - - + + - Dispositivos semicondutores O Diodo (junção retificadora) é um dispositivo eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido. Lado p Lado n - + - + -  + + - - - + + Polarização direta

18. - + Junção retificadora com polarização direta Zona de recombinação Energia

19. Lado p Lado n + + - - - + - + - + + - - + + - - + - + Junção retificadora com polarização reversa Lado p Lado n - + - + -  + + - - - + + Polarização reversa

20. Junção retificadora com polarização reversa + -

21. ID Ruptura -V0 Diodo Zener V0 IR Curva corrente-tensão para uma junção semicondutora + Corrente, I Fluxo direto - + ID» IR Tensão, V Fluxo reverso -

22. ID V0 Corrente Tensão IR -V0 Tempo Tempo Retificação com uma junção semicondutora ID» IR

23. O transistor Transistor = amplificador Transistor = interruptor Os dois principais tipos de transistores são os de junção e os MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor)

24. Emissor p Base n Coletor p emissor Silício tipo n base coletor Emissor n Base p Coletor n Silício tipo p O transistor de junção Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n.

25. buracos buracos Tensão direta Tensão reversa Carga tensão de entrada tensão de saída - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - 10 0,1 Tensão de entrada (mV) Tensão de saída (mV) O transistor pnp buracos

26. Emissor p Base n Coletor p O transistor pnp VE IC I0 , B = constantes

27. Vsaída Ventrada + + - Fonte Si tipo n Dreno Si tipo n 50 nm - - - - - - - - - - - - O transistor MOSFET Porta Isolante, SiO2 Si tipo P Ventrada = 0 Vsaída = 0 Transistor = interruptor (sistema binário)

28. O transistor MOSFET

29. Outras aplicações de semicondutores Termístores: como a condutividade elétrica dos semicondutores depende da temperatura, eles podem ser usados como termômetro! Sensores de pressão: como a estrutura de banda e Eg são funções do espaçamento entre os átomos do semicondutor, a condutividade elétrica pode ser usada para medir a pressão atuando sobre o material!

30. Q l A Comportamento dielétrico Capacitor = “armazenador“ de energia elétrica. Q =carga em uma placa A =área da placa l = separação entre placas 0 = 8,85x10-12 F/m

31. Polarização Polarização + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

32. Polarização Sem campo elétrico Com campo elétrico Eletrônica Iônica Orientação (dipolos permanentes)

33.  quantidade de energia armazenada Constante dielétrica  = constante dielétrica ( P=(-1)ºE )

34. Rigidez dielétrica É o maior campo elétrico que um dielétrico pode manter entre dois condutores. Rigidez Dielétrica =

35. Propriedades Elétricas

36. Dependência da Constante dielétrica com a freqüência Orientação Constante dielétrica Iônica Eletrônica Freqüência (Hz)