Aula 10 - Propriedades físicas de materias e suas aplicações

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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 
Visão Geral sobre Propriedades Físicas e 
Aplicações de Materiais: metais, polímeros, 
cerâmicas e vidros, semicondutores, compósitos 
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Semicondutores
Banda de
condução vazia
Banda de 
valência
preenchida
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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Par elétron-buraco
+-
σ =σelétrons + σburacos
σ =n e µe + p e µb
n (p) = n° de elétrons (buracos)/m3
µe (µb) = mobilidade de elétrons
(buracos)
T > 0 K
n = p
para semicondutores intrínsecos,
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Semicondutores intrínsecos
0,010,03-2,26ZnTe
-0,03-2,4CdS
0,077,72x1040,17InSb
0,450,8510-61,42GaAs
0,0020,05-2,25GaP
0,180,382,20,67Ge
0,050,144x10-41,11Si
µb (m2/V-s)µe (m2/V-s)σ (Ω-m)-1Gap (eV)Material
III-V
II-VI
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
Si ⇒ P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P⇒
4+ 5+
Elétron excedente
fracamente ligado
=
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
Energia
⇒⇒⇒⇒
Elétron livre na 
banda de condução
Estado doador
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Semicondutores extrínsecos
Tipo n
n » p ⇒ σ≈ n e µe
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Semicondutores extrínsecos
Tipo p
Si ⇒ B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B⇒
4+ 3+
Buraco na camada 
de valência
Estado receptor
=
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Energia ⇒⇒⇒⇒
Buraco na camada 
de valência 
Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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p » n ⇒ σ≈ p e µb
Semicondutores extrínsecos
Tipo p
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Temperatura (°C)
C
o
n
d
u
t
i
v
i
d
a
d
e
 
E
l
é
t
r
i
c
a
 
(
Ω
-
c
m
)
-
1
Efeito da temperatura sobre a condutividade 
e a concentração dos portadores de carga
Germânio kT
E
C
g
2
ln −≅σ
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
µe e µb.
⇒
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50 100 200 1000
10-2
104
10-1
100
10 1
102
103
Temperatura (K)
Si puro
Efeito da temperatura sobre a condutividade 
e a concentração dos portadores de carga
400
C
o
n
d
u
t
i
v
i
d
a
d
e
 
(
Ω
-
m
)
-
1
Si+0,0013at%B
Si+0,0052at%B
σ =10-2(Ω-m)-1
σ =600(Ω-m)-1
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k
E
T
g
21
ln
−=





∆
∆ σ
50 100 200 1000
10-2
104
10-1
100
101
102
103
Temperatura (K)
400
C
o
n
d
u
t
i
v
i
d
a
d
e
 
(
Ω
-
m
)
-
1
Saturação
Extrínseca 
l
n
σ
1/T
Si+BSi
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:
kT
E
Cpn
g
2
lnln −′≅=
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
+ -
- -
- -
-
+
+
+
+
+
+ -
-+
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
+ -
- -
- -
-
+
+
+
+
+
- +
+-
Lado p Lado n
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Junção retificadora com 
polarização reversa
+ -
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V0
ID
-V0
IRFluxo reverso
Fluxo direto
Tensão, V
C
o
r
r
e
n
t
e
,
 
I
Ruptura
+
+
-
-
Curva corrente-tensão para 
uma junção semicondutora
ID» IRDiodo Zener
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Retificação com uma junção 
semicondutora
ID » IR
T
e
n
s
ã
o
V0
-V0
C
o
r
r
e
n
t
e
ID
IR
Tempo Tempo
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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.
Base
n
Emissor
p
Coletor
p
Base
p
Emissor
n
Coletor
n
Silício tipo p
Silício tipo n
emissor
base
coletor
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O transistor pnp
Carga
tensão
de
saída
tensão
de
entrada
T
e
n
s
ã
o
 
d
i
r
e
t
a
T
e
n
s
ã
o
 
r
e
v
e
r
s
a
T
e
n
s
ã
o
 
d
e
e
n
t
r
a
d
a
 
(
m
V
)
0,1
T
e
n
s
ã
o
 
d
e
s
a
í
d
a
 
(
m
V
)
10
+
+
+
+
+
+
+ +
+
++
+
+
++
+
+
+ +
+
+
-
-
- -
-
-
buracos buracos
buracos
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BV
0C
EeII /=
Base
n
Emissor
p
Coletor
p
O transistor pnp
VE IC
I0 , B = constantes
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O transistor MOSFET
Si tipo P
Fonte
Si tipo n
Dreno
Si tipo n
Isolante, SiO2
Porta
-- - - - -
-- - - - -
Ventrada
Vsaída
- +
+
50 nm
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.
V
QC iaCapacitânc =
Q
lA
l
A
C
0
ε=
Q =carga em uma placa
A = área da placa
l = separação entre placas
ε0 = 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
l
A
C ε=
κ = constante dielétrica ( P=(κ-1)εºE )
0
κεε =
κ quantidade deenergia armazenada
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Rigidez dielétrica
É o maior campo elétrico que um dielétrico pode 
manter entre dois condutores.
Rigidez Dielétrica = 
max
l
V
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Propriedades Elétricas
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Freqüência (Hz)
C
o
n
s
t
a
n
t
e
 
d
i
e
l
é
t
r
i
c
a
 
Orientação
Iônica 
Eletrônica
Dependência da Constante dielétrica
com a freqüência