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1 Profa. Dra. Eliane Sloboda Rigobello Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Campo Mourão –PR Curso: Engenharia Eletrônica Disciplina: Química Para entender o comportamento elétrico dos materiais e fazer a seleção e decidir a técnica de processamento. Por exemplo: alguns materiais precisam ser excelentes condutores elétricos como os fios de conexão, enquanto outros devem ser isolantes, como o encapsulamento de proteção de circuitos. 2 Por que estudar as propriedades elétricas dos materiais? Por que estudar as propriedades elétricas dos materiais? Semicondutores (ex., silício) dependem da estrutura das suas bandas eletrônicas (estados de energia ocupados por elétrons) disponíveis para o processo de condução Adição de átomos de elementos específicos afeta a estrutura da banda Características elétricas e o mecanismo de operação de dois dispositivos semicondutores diferentes empregados em circuitos integrados 3 Objetivos Estudar o fenômeno da condução elétrica: mecanismos de condução por elétrons e a estrutura da banda de energia Metais, semicondutores e aos isolantes 4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS CONDUTIVIDADE ELÉTRICA () É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra. = 1/= n.q. = condutividade elétrica (Ω-1.cm-1) = resistividade elétrica (Ω.cm) n= número de transportadores de carga, n, no material por cm3 q= carga carregada pelo transportador (coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19 coulombs ou amperes.segundos] = mobilidade dos transportadores de carga (cm2/V.s) 5 R = . l/A é indicativo da facilidade pela qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. Faixa de nos materiais sólidos 27 ordens de grandeza, ampla faixa de classificação 6 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA () Os condutores da ordem de 107 Ω-1.cm-1. Os metais são bons condutores. Os semicondutores 10-6 a 104 Ω-1.cm-1. Silício Os isolantes 10-10 a 10-20 Ω-1.cm-1. Materiais sólidos iônicos e covalentes são maus condutores. 7 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA () SEMICONDUTORES A condutividade pode ser aumentada com a presença de imperfeições nos cristais. Por exemplo: silício contendo um átomo de alumínio. 8 SEMICONDUTORES Exemplos: Silício, Germânio (Grupo 14 da Tabela Periódica) GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo 3 e 15 da Tabela Periódica) PbS, CdTe (Grupo 12 e grupo 16 da Tabela Periódica) 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício (grupo 14) 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo 3-15 são para uso militar 9 EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES São usados para a fabricação dos seguintes dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos (ópticos e eletrônicos): Transistor Diodos Circuito integrado LEDS Detectores de infravermelho Células solares, etc. 10 CAMPOS DE APLICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS DE SEMICONDUTORES Indústria de computadores (memórias, microprocessadores, etc.) Indústria aeroespacial Telecomunicações Equipamentos de áudio e vídeo Relógios Na robótica Sistemas industriais de medidas e controles Sistemas de segurança Automóveis Equipamentos médicos,... 11 RESISTIVIDADE VERSUS TEMPERATURA PARA UM SEMICONDUTOR O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais. A resistividade diminui (condutividade aumenta) com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais). 12 SEMICONDUTORES 13 EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE Dispersão fortalecida Trabalhado a frio 14 EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE ESTRUTURA PERFEITA A BAIXA TEMPERATURA MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS ALTA TEMPERATURA MOVIMENTO DOS ELÉTRONS EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS O nº de defeitos na estrutura de metais diminui a condutividade porque aumenta o espalhamento dos elétrons 15 BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS O número de elétrons disponíveis para a condução de corrente está relacionado com o arranjo dos níveis eletrônicos em relação a energia. Para cada átomo existem níveis discreto de energia que podem ser ocupados por elétrons, os quais estão arranjados em camadas (1,2,3 etc.) e subcamadas (s, p, d e f). Para cada uma das subcamadas existem um, três, cinco e sete orbitais, respectivamente. Cada orbital comporta dois elétrons de spins opostos, de acordo com o princípio da exclusão de Pauli. BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS • Os semicondutores se caracterizam por sua estrutura eletrônica em bandas de energia. • Os elétrons de valência (camada mais externa) de dois átomos adjacentes interagem entre si, quando são aproximados um do outro, como acontece em um sólido cristalino. • Como não mais de dois elétrons que interagem podem pertencer ao mesmo nível de energia, isso faz com que novos níveis de energia sejam estabelecidos, originando então bandas de energia (níveis discretos de energia, mas com diferenças apenas infinitesimais) • A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo isolado. • As bandas de energia nem sempre se sobrepõem. • Assim como orbitais, as bandas de energia podem comportar no máximo dois elétrons. Por exemplo: uma banda p consistirá de 3N estados (3 orbitais). 16 17 BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS As propriedades elétricas de um material sólido são consequência da estrutura da sua banda eletrônica, ou seja, do arranjo das bandas eletrônicas mais externas e da maneira pela qual elas são preenchidas com elétrons. Nº de estados eletrônicos de cada banca = N átomos 1s 2s 2p Separação interatômica (r) Sólido = grande nº de átomos (N átomos) ligados em um arranjo atômico ordenado Geometria Molecular a) Sobreposição em fase (adição) b) Sobreposição fora de fase (subtração) Quando ondas são combinadas, elas podem interagir construtivamente (em fase – adição) ou destrutivamente (fora de fase – subtração). Interferência construtiva produz uma onda de maior intensidade do que as ondas originais Interferência destrutiva produz uma onda de menor intensidade que as ondas originais 18 Bandas de energia 19 GAP DE ENERGIA (BANDA PROÍBIDA) É o espaço entre as bandas de energia (não tem elétron) É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante. 20 NÍVEL DE ENERGIA DE FERMI É a energia correspondente ao estado preenchido mais elevado a 0 K. 21 Possíveis bandas eletrônicas nos sólidos a 0 K. 22 Alguns Metais Alguns Metais a) Ex.: Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 d) Ex.: Si e Ge (Grupo 14 tabela periódica) b) Ex.: Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2 c) Em materiais muito puros os elétrons não podem ter energia dentro do espaçamento entre as bandas BV e BC – Energia gap ou energia proíbida 3s 3p Isolante SemicondutorEf = energia de Fermi - Somente elétrons com energia acima da Ef podem ser excitados Ef Ef Para metais: Fig. 18.a e 18.b existem estados de energia vazios adjacentes a Ef. Assim, muito pouca energia é necessária para promover elétron para os estados vazios. Geralmente energia elétrica já é suficiente para promover os elétrons. Além disso, nos metais os elétrons de valência estão livres, não são ligados a nenhum outro átomo, aumentando sua condutividade. 23 Possíveis bandas eletrônicas nos sólidos a 0 K. Isolantes e Semicondutores Para isolantes e semicondutores, os estados vazios adjacentes ao topo da banda de valência preenchida não estão disponíveis. Para tornar os elétrons livres eles devem ser promovidos para a banda de condução (estados vazios) A excitaçãodo elétrons só é possível através do fornecimento de uma diferença de energia entre estes dois estados, o que é aproximadamente igual à energia da banda Eg. Normalmente a fonte de excitação é calor ou luz. Quanto maior for o intervalo de banda, menor a condutividade elétrica a uma dada temperatura. Assim, a distinção entre os semicondutores e isoladores reside na largura da banda gap. Para semicondutores é estreita, enquanto que para materiais isolantes é relativamente larga. 24 Nos materiais sólidos formados por ligação iônica ou covalente, os elétrons são fortemente ligados ou compartilhado com os átomos individuais. Esses elétrons não estão livres para conduzir corrente elétrica. No entanto, a ligação covalente em semicondutores é relativamente fraca, o que significa que os elétrons de valência não são tão fortemente ligados aos átomos. Consequentemente, esses elétrons são mais facilmente removidos por excitação térmica do que em isolantes. Materiais isolantes: Ligações covalentes com elétrons fortemente ligados. 25 Isolantes e Semicondutores Se aumentar a temperatura de qualquer semicondutor ou isolante resulta em um aumento da energia térmica que está disponível para excitação dos elétrons. Então mais elétrons são promovidos para a banda de condução, o que dá origem a uma melhor condutividade. 26 Isolantes e Semicondutores Condutividade nos semicondutores Outra entidade carregada é o buraco, encontrado em semicondutores e isolantes, tem energia menor que a Ef e também participa de condução eletrônica. Portanto, a condutividade elétrica é uma função direta do número de elétrons livres e buracos. Além disso, a distinção entre os condutores e não condutores e semicondutores encontra‐se em os números desses portadores de carga, de elétrons livres e os buracos. 27 Para um Metal 28 Para um semicondutor ou isolante 29 Elétron livre buraco CONDUTOR Os elétrons não preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e por isso a condução ocorre na banda de valência. Em um metal o nível de Fermi esta localizado na banda de valência. 30 Nível de Fermi Banda de valência incompleta ISOLANTES Os elétrons preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e por isso a condução NÃO ocorre na banda de valência. 31 Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de energia Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV Gap de um isolante é maior Nível de fermi BANDA DE CONDUÇÃO BANDA DE VALÊNCIA GAP DE ENERGIA SEMICONDUTOR Da mesma forma que nos isolantes, os elétrons preenchem todos os estados possíveis da banda de valência. 32 Nível de fermi BANDA DE CONDUÇÃO BANDA DE VALÊNCIA GAP DE ENERGIA SEMICONDUTOR Em um semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução) Quando um elétron é excitado para a banda de condução deixa um buraco ou uma vacância na banda de valência que contribui também para a corrente. 33 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros. Um semicondutor pode ser tipo "p" (condução devido aos buracos, carregados positivamente) ou tipo "n" (condução devidos aos elétrons, carregados negativamente) Este tipo de condução se origina devido a presença de uma imperfeição eletrônica ou devido a presença de impurezas residuais. 34 Conceito de buraco Em isolantes e semicondutores, para cada elétron excitado da banda de valência para a banda de condução ficará um elétron em falta em uma das ligações covalentes, ou na banda de valência. Já em condutores (metais) as transições de elétrons normalmente ocorrem do estado preenchido para o estado vazio dentro da mesma banda , sem a criação de buracos. 35 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) 36 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) 14Si 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 4 elétrons de valência - hibridização sp3 Sobre a influência de um campo elétrico, a falta de um elétron ocasiona um deslocamento, pelo movimento de outros elétrons de valência, que enchem repetidamente a ligação incompleta. Para o comportamento intrínseco, as propriedades elétricas são inerentes ao material puro e as concentrações de elétrons e buracos são iguais. 37 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) onde e é a carga do elétron, p é o número de buracos por m3 e h é a mobilidade dos buracos. Como n = p = ni 38 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) Elementos Si e Ga Elementos dos grupos 13 e 15, por exemplo GaAs e InSb; Elementos dos grupos 12 e 16, como CdS e ZnTe. À medida que os dois elementos que formam estes compostos tornam-se mais afastados um do outro no que diz respeito às suas posições relativas na tabela periódica (isto é, as eletronegatividades tornar-se mais desiguais), a ligação química torna-se mais iônica e a magnitude da banda de energia gap aumenta, e os materiais tendem a tornar-se mais isolante. 39 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) Exercício 1. Qual composto tem a energia gap maior: ZnS ou CdSe ? Cite motivo (s) para sua escolha. 40 CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) 41 É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros. CONDUÇÃO EXTRÍNSECA Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou buracos extras. Os semicondutores extrínsecos podem ser: Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras. Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras 42 Os processos utilizados para dopagem são difusão e implantação iônica SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para CRIAR buracos extras. Elementos tal como o alumínio, boro, gálio e do grupo 13 da tabela periódica. Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extras Exemplo: Dopagem do Silício (valência 4) com Boro (valência 3). Ex.: 1 átomo de Boro em 1012 átomos de Si. 43 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P 44 BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA BURACOS EXTRA Uma das ligações covalentes é deficiente em elétron (pode ser visto como buraco que participa da condução carregado positivamente). Por isso tipo P. 45 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P O movimento do buraco é responsável por um campo elétrico. 46 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P NÍVEL DE FERM I Excitação térmica. Para este tipo de condução extrínseca, os buracos estão presentes em concentrações bem maiores que os elétrons (i.e., p >> n) SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P NÍVEL DE FERM I 47 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N Impurezas tipo "n" ou doadores. proporcionam elétrons extra Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) como Fósforo (valência 5) 48 Apenas 4 dos 5 elétrons de valência destes átomos de impurezas podem participar na ligação com o Si, porque há apenas quatro possíveis ligações com os átomos vizinhos de Si. O elétron não ligante extra é fracamente ligado à região em torno do átomo de impureza por uma atração eletrostática fraca. Isso o torna um elétron de condução. 49 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N NÍVEL DE FERMI SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N NÍVEL DE FERMI 50 51 Para cada um dos elétrons fracamente ligados, existe um nível de energia único, ou estado de energia, que está localizado dentro da banda gap, lacuna logo abaixo da parte inferior da bandade condução. O energia do elétron livre é ~0,01 eV muito fácil de promover o e- para banca de condução. Nenhum buraco correspondente é criado dentro da banda de valência. SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N NÍVEL DE FERMI CONDUÇÃO EXTRÍNSECA Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos. A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor. 52 Condutividade extrínseca tipo n: Em semicondutores extrínsecos (ambos tipo n- e tipo -p) são produzidos a partir de materiais que são inicialmente de pureza extremamente elevada teores de impurezas totais na ordem de 10-7 em %. Concentrações controladas de doadores ou receptores específicos são adicionados intencionalmente, utilizando várias técnicas. Tal processo de materiais semicondutores é denominado dopagem. 53 CONDUÇÃO EXTRÍNSECA Exemplo 2. O metal Zn atuará como um doador ou aceitador, quando adicionado ao composto semicondutor GaAs? Por quê? (Suponha que Zn é uma impureza de substituição.) O Ga tem 3 elétrons de valência e o As tem 5 elétrons de valência. O Zn tem dois elétrons de valência. Portanto, o Zn atuará como aceitador de elétrons (Semicondutor extrínseco do tipo p). 54 OPERAÇÃO DO DIODO (JUNÇÃO P-N) Dispositivos eletrônicos como transistores, circuitos integrados, chips, etc... usam a combinação de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n” . DIODO é um dispositivo que permite a corrente fluir em um sentido e não em outro. É construído juntando um semicondutor tipo “n” e tipo “p”. 55 JUNÇÃO P‐N ‐Quando uma voltagem é aplicada como no esquema abaixo, os dois tipos de cargas se moverão em direção à junção onde se recombinarão. A corrente elétrica irá fluir. ‐Como no esquema abaixo, a voltagem causará o movimento de cargas para longe da junção. A corrente não irá fluir no dispositivo. a 56 - + 57 Polarização inversa – Junção livre de cargas transportadoras Polarização para junção. JUNÇÃO P‐N Exercício 1 Defina os seguintes termos em que dizem respeito a materiais semicondutores: intrínseco, extrínseco, composto, elemento. Dê exemplo de cada um. Intrínseca ‐ de elevada pureza (não dopadas), exemplos: Si, GaAs, CdS, etc .; Extrínseca – Ge dopado com P, Si dopado com B, GaP dopado com S, etc ; Compostos ‐ GaAs, InP, CdSe, etc .; Elementos‐ Ge e Si. 58 Exercício 2 Para cada um dos seguintes pares de semicondutores, decida qual terá a menor energia da banda, e em seguida, citar a razão da sua escolha. (A) ZnS e CdSe; (b) Si e C (diamente); (c) Al2O3 e ZnTe; (d) InSb e ZnSe; (e) GaAs e AlP 59 Resposta Exercício 2 (a) seleneto de cádmio terá uma energia da banda gap menor que do sulfeto de zinco. Ambos são compostos II-VI, e Cd e Se ambos estão mais abaixo no grupo na tabela periódica do que Zn e S. Também a diferença de eletronegativa entre o Cd e Se é menor que entre o Zn e S, significando um composto de menor caráter iônico e, consequentemente, menor banda de energia gap. A passagem de cima para baixo na tabela periódica, Eg diminui. (b) O silício terá uma energia da banda menor do que o diamante , C, uma vez que o Si está abaixo do C no grupo 14 da tabela periódica. (c) ZnTe terá um gap de energia menor que do óxido de alumínio. Há uma maior disparidade entre os eletronegatividades para o alumínio e oxigênio [1,5 contra 3,5 do que para o zinco e telúrio (1,6 e 2,1). Para os compostos binários, quanto maior for a diferença entre as eletronegatividades dos elementos, o maior será a energia da banda gap. 60 Resposta Exercício 2 (d) InSb terá uma energia da banda menor do que seleneto de zinco. Estes materiais são os compostos III-V e II-VI, respectivamente; Assim, na tabela periódica, In e Sb estão mais próximos horizontalmente que Zn e Se. Além disso, ambos In e Sb estão abaixo do Zn e Se na tabela periódica. (e) O arsenato de gálio terá uma energia da banda menor do que fosfito de alumínio. Ambos são compostos III-V, e Ga e As estão ambos mais abaixo no grupo na tabela periódica que o Al e P. 61 Exercício 3. Em termos de estrutura de banda de energia de elétrons, discutir as razões para a diferença de condutividade elétrica entre os metais, semicondutores e isolantes. Para materiais metálicos, existem estados de energia de elétrons vazios (banda de condução) adjacentes ao estado mais elevado preenchido (banda de valência); assim, muito pouca energia é necessária para excitar um grande número de elétrons para os estados de condução. Como há muitos elétrons que participam do processo de condução, os metais são bons condutores elétricos. Não há estados vazios de elétrons adjacente ao estado acima da banda de valência para semicondutores e isolantes, mas sim uma banda de energia através da qual os elétrons deve ser excitado, a fim de participar no processo de condução. A excitação térmica dos elétrons ocorre, e o número de elétrons excitados será menor do que para os metais, e vai depender da energia da banda. Para semicondutores, o gap é mais estreito do que para isolantes; consequentemente, a uma temperatura específica mais elétrons será excitados por semicondutores, dando origem a condutividade superior. 62 63 CALLISTER Jr., W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. 7. ed., Rio de Janeiro: LTC, 2008. VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. São Paulo: Blucher, 1970. Referências bibliográficas
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