Propriedades e Aplicações de Semicondutores

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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 10
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Visão Geral sobre Propriedades Físicas e Aplicações de Materiais: metais, polímeros, cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 
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Semicondutores
	Propriedades elétricas extremamente sensíveis à presença de impurezas mesmo em concentrações ínfimas.
	Condutividade elétrica não tão alta quanto à dos metais.
	Semicondutor intrínseco tem suas características determinadas pela estrutura eletrônica do metal puro
	Semicondutor extrínseco tem suas propriedades elétricas ditadas pelas impurezas
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T = 0 K
Par elétron-buraco
 =elétrons + buracos
 =n e e + p e b
n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3 
e (b) = mobilidade de elétrons (buracos)
T > 0 K
n = p
para semicondutores intrínsecos,
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Semicondutores intrínsecos
0,01
0,03
-
2,26
ZnTe
-
0,03
-
2,4
CdS
0,07
7,7
2x104
0,17
InSb
0,45
0,85
10-6
1,42
GaAs
0,002
0,05
-
2,25
GaP
0,18
0,38
2,2
0,67
Ge
0,05
0,14
4x10-4
1,11
Si
b (m2/V-s)
e (m2/V-s)
 (Ω-m)-1
Gap (eV)
Material
III-V
II-VI
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
Si  P
Elétron excedente
fracamente ligado
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
Energia

Elétron livre na banda de condução
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
n » p  ≈ n e e
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Semicondutores extrínsecos
Tipo p
Si  B
Buraco na camada de valência
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Energia

Buraco na camada de valência 
Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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p » n  ≈ p e b
Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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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)
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Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga
Condutividade
cresce
com o
aumento
de T
Crescimento de
n e p
é superior
à diminuição de
e e b.

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50
100
200
1000
10
-2
10
4
Temperatura (K)
Si puro
Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga
400
Condutividade (-m)-1
 =10-2(Ω-m)-1
 =600(Ω-m)-1
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50
100
200
1000
10
-2
10
4
Temperatura (K)
400
Condutividade (-m)-1
Saturação
Extrínseca 
Si+B
Si
Efeito da temperatura sobre a condutividade e a concentração dos portadores de carga
Temperatura alta = Condutividade intrínseca 
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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
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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
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Energia
Junção retificadora com polarização direta
Zona de recombinação 
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Junção retificadora com polarização reversa
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
Lado p
Lado n

Polarização reversa
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Junção retificadora com polarização reversa
+
-
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Fluxo reverso
Fluxo direto
Tensão, V
Corrente, I
+
+
-
-
Curva corrente-tensão para uma junção semicondutora
ID» IR
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Retificação com uma junção semicondutora
ID » IR
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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)
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O transistor de junção
Duas junções p -n em configurações p-n-p ou n-p-n.
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O transistor pnp
buracos
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O transistor pnp
VE
IC
I0 , B = constantes
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O transistor MOSFET
Si tipo P
Isolante, SiO2
Porta
Ventrada = 0  Vsaída = 0
Transistor = interruptor (sistema binário)
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O transistor MOSFET
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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!
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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
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Polarização
- - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - 
+ + + + + + + + + +
Polarização
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Polarização
Eletrônica
Iônica
Orientação (dipolos permanentes)
Sem campo elétrico
Com campo elétrico
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Constante dielétrica
 = constante dielétrica ( P=(-1)ºE ) 
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Rigidez dielétrica
	É o maior campo elétrico que um dielétrico pode manter entre dois condutores.
Rigidez Dielétrica = 
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Propriedades Elétricas
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Freqüência (Hz)
Constante dielétrica 
Orientação
Iônica 
Eletrônica
Dependência da Constante dielétrica
com a freqüência