Propriedades_Eletricas

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Ciência dos Materiais
Relação entre Estrutura e Propriedades
Propriedades Elétricas
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Introdução
 Resistência elétrica: Resistência de um espécime à
passagem de corrente quando aplicada uma
voltagem através dele
 Lei de Ohm:
 Depende das dimensões do espécime
 Resistividade: independe das dimensões.
Propriedade do material.
RiV ⋅=
R
L
A
e ⋅=ρ
V = Voltagem
I = Corrente *
R = Resistência
* Taxa temporal de passagem de carga.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Introdução
 Condutividade: Facilidade com que a corrente elétrica se move no material
µσ ⋅⋅= qn
 A condutividade elétrica do material depende de:
 n de condutores ou transportadores de carga por unidade de
volume (n)
 carga de cada condutor (q)
 mobilidade do condutor (μ)
 n e μ dependem da temperatura
ρ
σ
1
=
σ = condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)
ρ = resistividade elétrica (ohm.cm)
n = número de portadores de carga por cm3
q = carga carregada pelo portador (coulombs)
[q do elétron= 1,6x10-19 coulombs]
µ = mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Classificação dos materiais pela condutividade:
 Condutores – Metais:107(ohm.m)-1
 Semicondutores: 10-6 - 104 (ohm.m)-1
 Isolantes: 10-10 - 10-20 (ohm.m)-1
Os Condutores podem ser: ânions, cátions, elétrons, buracos (holes)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 Elétron: principal transportador de carga elétrica em sólidos
 Em um átomo isolado: elétrons em níveis discretos de energia
 Em um cristal: elétrons interagem, níveis de energia se sobrepõem formando
bandas
Estados eletrônicos para um agregado de 12 
átomos
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 Espaço entre duas bandas de energia: gap de energia – estados energéticos
proibidos para os elétrons.
Band gap
 É o espaço entre as bandas de energia
 É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante 
Estrutura de bandas no espaçamento de equilíbrio 
entre os átomos
 Comportamento elétrico do material: função da distribuição
dos elétrons em suas bandas eletrônicas mais externas.
 Nível de Fermi (EF): É definido como o nível de energia abaixo
do qual todos os estados de energia estão ocupados a 0K.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 Estrutura de bandas possíveis a 0K:
a) condutor metálico com sobreposição de bandas (sobreposição
entre banda de valência e banda de condução)
b) isolante: banda de valência é separada da banda de condução
por um gap relativamente grande (>2eV)
c) semicondutor: banda de valência é separada da banda de
condução por um gap relativamente pequeno (<2eV)
(a) (b) (c)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 METAIS:
 A passagem de e- da banda de valência para de condução é fácil
 Dificultar o movimento de e- significa reduzir a condutividade
elétrica. ex: vibração térmica, solutos, defeitos cristalinos.
METAIS
ISOLANTES 
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 ISOLANTES:
 banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada:
condutividade elétrica muito baixa
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Teoria de Bandas de Condução
 SEMICONDUTORES:
 largura da banda proibida é pequena e pode ser suplantada
levando e- à banda de condução através da ativação térmica ou
adição de dopantes.
SEMICONDUTORES
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Mobilidade dos elétrons:
 Elétrons movimentam-se sob influência de um campo elétrico
 Movimento é espalhado por:
 Imperfeições na rede cristalina
 Átomos de impureza
 Vacâncias
 Discordâncias
 Vibrações térmicas
Resistividade do material
Livre caminho médio:
distância média percorrida
pelo elétron entre impactos
Caminho do 
elétron
Pontos de 
espalhamento
Campo
Mecanismos de Condução
 Mobilidade dos elétrons:
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Mobilidade dos elétrons:
 Elétrons são espalhados por:
 Imperfeições na rede cristalina
 Átomos de impureza
 Vacâncias
 Discordâncias
 Vibrações térmicas
Lei de Matthiessen: resistividade elétrica de um material monofásico
depende de:
 ρT (vibrações térmicas)
 ρi (impurezas)
 ρd (deformação)
Rede Perfeita Vibrações térmicas
Átomos de impureza
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Mobilidade dos elétrons:
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Resistividade de Metais e Ligas
Variação da resistividade elétrica com a temperatura para o Cu puro e três 
soluções sólidas Cu-Ni. O efeito da deformação na resistividade da liga Cu 1,2Ni
também é apresentado.
Variação da resistividade elétrica com a composição para o sistema Ag-Au, para
três diferentes temperaturas.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Resistividade de Metais e Ligas: EFEITO DA TEMPERATURA
 METAIS:
Aumento de temperatura diminui a
condutividade → agitação diminui o
livre caminho médio dos elétrons e-,
portanto, sua mobilidade
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Resistividade: EFEITO DA TEMPERATURA
 SEMICONDUTORES E ISOLANTES:
Aumento de temperatura aumenta a condutividade→ excitação térmica
promove e- para banda de condução e aumenta a mobilidade de íons
(cerâmicos).
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Condutividade em Compostos Iônicos (cerâmicas)
 resultado das contribuições eletrônica e iônica
 importância de cada contribuição→ pureza e temperatura
 modelo de bandas é válido, porém o n de e- na banda de condução é
muito baixo, predominando a condução iônica
 difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais
 condutividade elétrica de sólidos iônicos:
 Aumenta com o aumento da temperatura
 Aumenta abruptamente na fusão
Mobilidade dos íons
σi = N·e2·D/k·T = (N·e2/k·T) D0 · exp(-Q/k·T)
N - n de posições iônicas de mesmo sinal por unidade de volume
e - carga do elétron
D - difusividade
k - constante de Boltzman
T - temperatura em K
Q - energia de ativação para a difusão
 Condutividade iônica σi:
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Condutividade em Compostos Covalentes (polímeros)
 Gap de energia elevado
 Estrutura de bandas de polímeros é típica dos isolantes: σ~10-10 a 10-
17Ω-1m-1
 A condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas:
restos de monômeros, catalisadores, etc.
 Aditivos condutores podem aumentar σ entre 1 e 50 Ω-1m-1, como
em borrachas de silicone
 exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina
 GRAFITA: comportamento elétrico
diferenciado (anisotrópico)
 plano basal (0001) σ ≅ de condutores
metálicos
 na direção c ⊥ (0001) σ é 105 vezes
menor
 condução eletrônica origem na
mobilidade eletrônica de cada anel
hexagonal de átomos de C, ao longo de
cada camada
 introdução de átomos estranhos entre as
camadas aumenta o número de
transportadores de carga e a
condutividade elétrica .
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Mecanismos de Condução
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Semicondutores
 Elétrons podem ser excitados para a banda de condução por energia
elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)
 Elétron da banda de valência é excitado
 e-→ vai para a banda de condução
 deixa um buraco (hole, h+) na banda de
valência (h+ contribui para a condução)
 Características:
 Condutividade aumenta com o
aumento de temperatura (ao contrário
dos metais)
 Condutividade aumenta com a adição
de certas dopantes (impurezas)
 Condutividade diminui com a presença
de imperfeições nos cristais.
CONDUÇÃO INTRÍNSECA: SEMICONDUTOR INTRÍNSECO
 Condução resultantedos movimentos eletrônicos nos materiais puros
 Um semicondutor pode ser:
 tipo p ( condução por buracos)
 tipo n (condução por elétrons)
 Este tipo de condução se origina devido à presença de uma imperfeição
eletrônica ou devido à presença de impurezas residuais intrínsecas.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA: SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO
 Adiciona-se intencionalmente uma impureza (dopante) para
proporcionar elétrons ou buracos extras.
 tipo p: impurezas que proporcionam buracos extras
 tipo n: impurezas que proporcionam elétrons extras
Deve-se considerar:
 Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos
 A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do
semicondutor
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Semicondutores
 EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES (Intrínsecos)
 Silício, germânio (Grupo IV da Tabela Periódica) → 95% dos dispositivos
eletrônicos são fabricados com silício
 GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)
 PbS, CdTe, ZnS, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)
 APLICAÇÕES: FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
 Transistor
 LEDs
 Células solares
 Diodos
 Circuito integrado
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Semicondutores Intrínsecos
 Elétrons podem ser excitados para a banda de condução por energia
elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)
Antes da excitação Após excitação: e- e h+ são gerados e- e h+ se movem sob 
aplicação de campo 
elétrico
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO p
 Adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante
 Impurezas tipo p ou aceitadores proporcionam buracos (h+) extras
 Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com boro (valência 3)
SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO n
 Adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante Impurezas tipo n ou doadores
 proporcionam elétrons extras
 Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com fósforo (valência 5)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Mecanismos de Condução
 Semicondutores
Junção P-N
 DIODO é um dispositivo que permite que haja
fluxo de corrente elétrica em um sentido mas
não em outro. É construído juntando um
semicondutor tipo n a um tipo p→ Junção P-N
 Quando uma voltagem é aplicada como no
sentido indicado em (b), os dois tipos de cargas
se moverão em direção à junção onde se
recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.
 Em (c), a voltagem causará o movimento de
cargas para longe da junção. A corrente não
irá fluir no dispositivo devido à zona de
depleção formada no centro do diodo.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Supercondutividade
 Abaixo de uma temperatura crítica, o material apresenta resistividade
nula (conduz eletricidade sem perdas).
 Temperatura crítica é usualmente bastante baixa→ limitação.
 Resfriamento:
• Hélio líquido: ~4K (-269 C)
• Nitrogênio líquido: 77K (-196 C)
 até 1986:
• melhores supercondutores
tinham Tc < 23 K → material
deveria ser resfriado em hélio
líquido para se tornar
supercondutor.
 A partir dos anos 90:
supercondutores cerâmicos com
Tc mais altas:
HgBa2Ca2Cu3O8 (-120,15 C)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Supercondutividade
 Efeito Meissner-Ochsenfeld
• No estado supercondutor, alguns materiais repelem as linhas de campo
magnético
→ Efeito de levitação magnética
T > Tc T < Tc
MAGLEV (600 km/h)
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Comportamento dielétrico
 Dielétrico: material isolante elétrico que exibe ou pode ser forçado a exibir uma
polarização de cargas em seu interior→ dipolo elétrico
 CONSTANTE DIELÉTRICA:
 Magnitude da capacidade do material de se polarizar sob um campo
elétrico
 Razão pela qual aumenta o armazenamento de cargas em um capacitor
contendo o material dielétrico entre as placas, em relação ao
armazenamento com vácuo entre as placas.
 CAPACITOR: constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por
uma distância d e de área A.
 Capacitância: medida da habilidade de armazenar uma carga elétrica.
 Adição de um dielétrico aumenta a capacitância
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Comportamento dielétrico
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Comportamento dielétrico
 PIEZOELETRICIDADE
 Materiais piezoelétricos: materiais em que a polarização pode ser induzida
pela aplicação de tensões
a) Material sem a atuação de forças/campos
externos
b) Uma polarização de cargas é induzida e um
campo elétrico é estabelecido no material pela
ação de uma tensão mecânica
c) Sob a ação de um campo elétrico, ocorre uma
deformação do material
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Comportamento dielétrico
 PIEZOELETRICIDADE
 Transformam pressão em energia elétrica e vice-versa → aplicação em
sensores e atuadores
 Ex.: cabeçotes de impressão, sensores de pressão, cartucho fonográfico.
Num cartucho fonográfico, quando a agulha percorre a trilha de um disco, uma 
variação da pressão é imposta num material piezelétrico localizado no cartucho, 
que é então transformado num sinal elétrico e amplificado antes de ir para o auto-
falante.
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	PROPRIEDADES ELÉTRICAS
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