MATERIAIS E EQUIPAMETOS ELÉTRICOS Aula 02 .A condução de eletricidade nos materiais ocorre por

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  • Materiais e Equipamentos Eltricos

    Aula 5Materiais semicondutores

  • Materiais semicondutores

    Semicondutores so slidos cristalinos com condutividade intermediria entre condutores e isolantes

    Silcio (Si), germnio (Ge) Possuem 4 eltrons na camada de

    valncia

  • Materiais semicondutores

    Semicondutores so muito importantes na fabricao de componentes eletrnicos

    Ex: diodo, transistor, LED, circuitos integrados, microprocessadores

  • Materiais semicondutores

    A conduo nos semicondutores causada por dois efeitos: Eltrons com energia suficiente e

    conseguiram pular para a banda de conduo

    Lacunas deixadas por estes eltrons As lacunas so considerados como

    partculas de carga positiva com mesma carga dos eltrons

  • Materiais semicondutores

    Semicondutores intrnsecos (sem dopagem) so compostos apenas pelo material semicondutor base Possuem baixa condutividade em temperatura ambiente

    Semicondutores extrnsecos (com dopagem) so compostos primordialmente pelo semicondutor base, mas possuem elementos dopantes, como Fsforo (P dopagem tipo N) e Bro (B dopagem tipo P) Alteram as caractersticas de conduo do semicondutor

    base, inserindo eltrons livres ou lacunas que sempre esto presentes na estrutura

  • Materiais semicondutores

    A conduo de eletricidade nos materiais ocorre por meio de espcies individuais, em escala atmica, chamados portadores de carga. O exemplo mais simples de portador de carga o eltron, uma partcula com carga negativa de 1,6x10-19 coulomb

    Outro conceito a conduo por lacunas eletrnicas, que so a ausncia de eltrons numa nuvem eletrnica, deixando o lugar da ausncia do eltron carregado positivamente em relao a sua vizinhana

    De acordo com sua facilidade de conduzir energia os materiais so classificados em trs grupos: condutores, semicondutores e isolantes

  • Materiais semicondutores

  • Materiais semicondutores

    A corrente eltrica resulta do movimento de partculas eltricas carregadas, em reposta a foras a partir de um campo eltrico aplicado externamente. Nos slidos a corrente vem do fluxo de eltrons, e em materiais inicos a corrente pode vir do movimento lquido de ons carregados

    No caso da condutividade eletrnica, a sua magnitude depende fortemente do nmero de eltrons disponveis para participar do processo de conduo, j que nem todos eltrons de todos os tomos sofrero acelerao na presena de campo eltrico, devido sua forte ligao com o ncleo

  • Materiais semicondutores

    O nmero de eltrons disponveis para a conduo em um material especfico est relacionado ao arranjo dos estados ou nveis energticos ocupados por estes eltrons

    Para cada tomo existem nveis discretos de energia que so ocupados por eltrons arranjados em nveis (k, l, m...) e subnveis (s, p, d, f). Para cada um dos subnveis s, p, d e f existem respectivamente um, trs, cinco e sete estados. Na maioria dos tomos os eltrons preenchem apenas os nveis de energia mais baixa, no limite de dois eltrons com spins opostos por estado, de acordo com o princpio de excluso de Pauli.

  • Materiais semicondutores

    Representao esquemtica da energia relativa dos eltrons para os vrios nveis e subnveis para um tomo isolado

  • Materiais semicondutores

    Eltrons de valncia so aqueles que ficam nas camadas ocupadas mais externas. Estes eltrons so extremamente importantes porque participam das ligaes entre tomos e influenciam em vrias propriedades fsicas e qumicas dos slido

    Quando vrios tomos so aproximados para montar uma estrutura cristalina os eltrons de um tomo interagem com eltrons de tomos vizinhos, e esta influncia tal que cada estado atmico se divide em uma srie estados pouco espaados, formando o que chamado de banda eletrnica de energia

    A extenso do nmero de divises dependente da separao interatmica e comea com os nveis mais externos, que so os mais perturbados pelos tomos vizinhos

  • Bandas de energia e Energia de Fermi

    A energia correspondente ao mais alto estado de energia ocupado a 0 K (zero absoluto) chamada de Energia de Fermi (Ef),

  • Bandas de energia

    No espaamento de equilbrio, a formao de bandas no ocorre para nveis mais prximos ao ncleo, como mostra a figura abaixo. Nesta figura tambm podem ser observados os vazios entre bandas adjacentes, que normalmente no esto disponveis para ocupao por eltrons

  • Materiais semicondutores

    Quatro estruturas diferentes de bandas eletrnicas so possveis nos slidos no zero absoluto. Na primeira, a camada mais externa apenas parcialmente preenchida. Este tipo de estrutura tpica de alguns metais, em particular daqueles que tem um nico eltron de valncia em s, como o cobre. Cada tomo de cobre tem um eltron no nvel 4s, entretanto, para um slido formado por N tomos a banda 4s capaz de acomodar 2N eltrons. Logo, s metade das posies disponveis ocupada

  • Materiais semicondutores

    Para o segundo tipo de estrutura, tambm encontrada nos metais, h uma sobreposio de uma banda vazia para uma banda ocupada. O magnsio apresenta esta estrutura. Cada tomo isolado de magnsio tem 2 eltrons no nvel 3s. Entretanto, quando um slido formado as bandas 3s e 3p se sobrepem

  • Materiais semicondutores

    As duas ltimas estruturas so semelhantes Uma banda de valncia completamente preenchida

    separada de uma banda de conduo vazia A banda proibida a regio que separa as bandas de

    valncia e de conduo A largura da banda proibida maior em isolantes do que

    nos semicondutores

  • Materiais semicondutores

    Somente eltrons com energia acima da energia de Fermi podem ser acelerados na presena de um campo eltrico. So esses eltrons, chamados livres, que participam do processo de conduo

    Outra carga eletrnica, chamada lacuna, participa do processo de conduo em semicondutores. Lacunas tm energia inferior a Ef

    Para um eltron se tornar livre ele precisa ser promovido para um dos nveis disponveis com energia acima de Ef. Para os metais, que tm estruturas como em (a) e (b), h estados energticos disponveis adjacentes ao mais alto estado preenchido Ef. Logo, pouca energia requerida para promov-los e a energia fornecida por um campo eltrico suficiente para excitar um grande nmero de eltrons para o estado de conduo

  • Materiais semicondutores

    Em isoladores e semicondutores os eltrons precisam receber uma maior energia para passar para a banda de conduo. Esta energia aproximadamente igual ao valor da banda proibida Eg e sua fonte pode ser eltrica, calor ou luz, por exemplo. O aumento de temperatura em semicondutores ou isoladores resulta em aumento da energia trmica disponvel, o que diminui a resistividade dos mesmos

  • Materiais semicondutores

    Quando um campo eltrico aplicado, os eltrons livres experimentam uma acelerao em direo oposta a do campo, devido a sua carga negativa. Entretanto, devido a imperfeies nos cristais, presena de impurezas, vazios, etc, o eltron neste movimento sofre vrias mudanas de direo. Existe, contudo, um movimento lquido na direo oposta a do campo. A velocidade de deriva vd [m/s] a velocidade mdia do eltron na direo imposta pelo campo e depende da mobilidade do eltron e [m2/V.s] e do campo aplicado E [V/m]

    A condutividade de maneira geral expressa por

    Onde n o nmero de eltrons livres, e = 1,610-19 C a carga absoluta do eltron e e a mobilidade dos eltrons

    vd=e E

    =en|e|

  • Materiais semicondutores

    Alguns elementos da tabela peridica possuem valores intermedirios de condutividade em comparao com os metais (de alta condutividade) e com os isolantes( de baixa condutividade). A essa semiconduo inerente, chamamos semiconduo intrnseca

    Em semicondutores intrnsecos, para cada eltron excitado para a banda de conduo fica uma lacuna em uma ligao covalente ou, no conceito de bandas, um estado deixado livre. Sob influncia de um campo eltrico h um movimento do eltron livre e de eltrons de valncia em direes contrrias. O movimento dos eltrons nas ligaes covalentes pode ser visto como um movimento da lacuna

    A lacuna tem a mesma carga de um eltron, mas de sinal contrrio. Uma vez que existem dois tipos de portadores de cargas carregados em semicondutores intrnsecos, a expresso da condutividade eltrica deve ser modificada para considerar a contribuio da corrente de lacunas

    Onde p o nmero de lacunas por metro cbico e p a mobilidade da lacunas, que sempre inferior a mobilidade dos eltrons nos semicondutores

    =en|e|+ p p|e|

  • Materiais semicondutores

  • Materiais semicondutores

    A semiconduo extrnseca resulta da adio de impurezas, conhecidas como dopantes, e o processo de incluso desses componentes chamado dopagem

    No caso dos condutores e isolantes, as impurezas normalmente so componentes resultantes das matrias-primas empregadas

    Nos semicondutores extrnsecos as impurezas so materiais cuidadosamente adicionados para obter determinados comportamentos

    Semicondutores extrnsecos podem ser do tipo P ou do tipo N, dependendo da impureza adicionada. Ambos so produzidos a partir de um material semicondutor intrnseco (pureza extremamente alta). Concentraes controladas de impurezas especficas (doadoras ou aceitadoras) so ento adicionadas intencionalmente, atravs de vrias tcnicas Existem dois tipos de semicondutores extrnsecos:

    Tipo N, que predominam portadores de carga negativa (famlia do fsforo) Tipo P, que predominam portadores de carga positiva (famlia do boro)

  • Materiais semicondutores

    O silcio (Si), no grupo IV, possui 4 eltrons na camada de valncia A adio de tomos do grupo V, como o fsforo (P), arsnio (As) ou antimnio (Sb), em

    um material do grup