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- 1. Condutores e Semicondutores Lucas Barros da Silva
- 3. Panoranorama histórico ● Primeiros registros datam de 2750 a.C ● Em 600 a.C. ela já era estudada. ● 1672, Otto inventa uma máquina geradora de cargas elétricas onde uma esfera de enxofre gira constantemente atritando-se em terra seca. ● 1720, Stephen Gray faz a primeira distinção entre condutores e isolantes elétricos. ● 1833, Michael Faraday notou que a resistência do sulfeto de prata diminuía dramaticamente com o aumento da temperatura. ● 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos
- 4. Características ● Isolante: Possuem baixo valor de condutibilidade elétrica. ○ Materiais: Isopor, borracha, madeira seca, vidro... ● Condutores: Possuem altos valores de condutibilidade elétrica, e o aumento de temperatura gera o aumento da resistividade. ○ Materiais: Metais. ● Semicondutor: Possuem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes. As condições físicas às quais o material é submetido determinam se ele se comportará como condutor ou como um isolante. ○ Materiais: Silício e o germânio
- 5. Relembrando Condução elétrica: Condutividade elétrica é a medida da quantidade de corrente elétrica que um material pode transportar ou de sua capacidade de transportar uma corrente.
- 6. Uma nova teoria... Mas o que torna um material um bom ou mau condutor elétrico?
- 7. Os elétrons e uma átomo ● As partículas só podem possuir determinados níveis de energias. ● Para uma partícula confinada, como um elétron em um átomo, a função de onda tem a forma de ondas estacionárias. ● Função de onda do hidrogênio é:
- 8. Camada (níveis de energia)
- 9. Mas e o sólido.
- 10. A superposição das funções de ondas
- 11. A superposição das funções de ondas
- 12. Generalizando para um sistema composto por N átomos
- 13. Resumindo ● Átomos isolados têm níveis de energia discretos. ● Quando os átomos se aproximam há a superposição dos níveis de energia de cada um. ○ Logo existirão faixas de energia possíveis aos elétrons: BANDAS PERMITIDAS ○ E existirão faixas de energia que não são possíveis de ocupação por elétrons: GAP = Bandas Proibidas
- 14. Possíveis estruturas de bandas
- 15. Mas como isso explica a condutividade?
- 16. CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ● A movimentação de elétrons só é possível em bandas parcialmente preenchidas ou vazias. ● Apenas elétrons com energia maior que Ef podem participar do processo de condução, ou seja, reagir portando carga na presença de um campo elétrico. Esses elétrons “de condução” são chamados de elétrons livres. ● Outra entidade, com carga elétrica positiva, que ocorre em semicondutores e isolantes, é chamada de lacuna. As lacunas possuem energia menor que EF e também podem conduzir. *Ef é a chamada energia de Fermi que corresponde à energia máxima dos estados eletrônicos ocupados.
- 17. Condutores
- 18. Isolantes ● O gap muito grande; em temperaturas “normais” nenhum elétron consegue passar da banda de valência para de condução ● Para que ocorra a ruptura dielétrica precisamos aplicar uma diferença de potencial da ordem de 10^10V
- 19. Semicondutores O gap não é tão grande; uma fração de elétrons pode passar para a banda de condução por ativação térmica. ou por estímulo fotoelétrico A condução ocorre tanto na banda de condução quanto na banda de valencia.
Notas do Editor
- corrente elétrica é o fluxo ordenado de cargas elétricas, Corrente elétrica é o fluxo ordenado de partículas portadoras de carga elétrica ou o deslocamento de cargas dentro de um condutor, quando existe uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades
- A energia da partícula é quantizada: Onde esses níveis de energia quantizados são resultados da relação entre a energia da partícula e seu comprimento de onda Apenas estados estacionários com energia correspondente a um número inteiro de comprimentos de onda podem existir; para outros estados as ondas interferem destrutivamente, resultando em probabilidade de densidade igual a zer
- Podemos representar esses orbitais de uma forma mais esquemática em um diagrama de energia. como representado nesta imagem, Nesse sentido um átomo de sódio que possui 11 elétron teria a seguinte configuração, isolado teria a seguinte configuração Enfatizar q é para átomo isolado
- Vamos lembra q a probabilidade do eletron esta em uma posição é dada por uma função de onda. Portanto quando esses eletrons se aporcimarem essas ondas sofreram interferencia uma das outras, Essa interferencia poderá ser construtiva ou destrutiva Portanto agora teremos a camada 1s siguma (resultante da interferencia construtiva) e outra sigma estrela(resultante da destrutiva) Logo um nível de energia se desdobrar em dois níveis.
- ➢Átomos afastados: as autofunções têm a mesma energia e portanto cada um dos níveis de energia tem uma dupla degenerescência de troca. ➢Átomos aproximados: autofunções espaciais se superpõem, a degenerescência de troca é removida, ou seja, um mesmo nível de energia se desdobra em dois níveis.
- Portanto para cada átomo que aproximamos temos um desdobramento ( A medida que a separação entre os átomos diminui, cada nível se desdobra num conjunto de N níveis. ) Logo em um sólido, são produzidos tantos níveis quanto átomos nele presentes, aproximadamente 10^23 átomos/mol O que faz com que, os níveis de energia existentes, seja tão próximos que formam uma banda de energia a qual consiste de uma região quase contínua de energias permitidas, uma banda contínua de energia. ΔE = E inf -E sup , depende de R já que R especifica a intensidade da superposição que provoca o desdobramento.
- ΔE = E inf -E sup , depende de R já que R especifica a intensidade da superposição que provoca o desdobramento. Portanto dependendo do arranjo atômico do material, ou seja da distância interatômica do material, podemos ter basicamente essas 4 configurações
- Portanto a condutividade elétrica é função direta do número de elétrons livres e lacunas. E é esta característica que distingue os condutores dos semicondutores e isolantes.
- No primeiro tipo, a banda mais externa está apenas parcialmente preenchida com elétrons (até EF ). Essa estrutura é característica de alguns metais, como o cobre, que possuem um único elétron de valência s. Cada átomo possui um elétron em 4s, mas um sólido de N átomos comportaria na banda correspondente 2N elétrons. Portanto, apenas metade das posições estaria preenchida. • Na segunda estrutura, há uma superposição entre uma banda vazia e uma preenchida. O magnésio possui uma estrutura desse tipo. Cada átomo de magnésio possui dois elétrons em 3s. No entanto, na formação do sólido, a banda associada a 3s se sobrepõe à banda 3p. Nesse caso, a zero kelvin, o nível de Fermi é dado por aquele abaixo do qual, para N átomos, N estados estão preenchidos (dois elétrons por estado).
- O terceiro tipo de estrutura corresponde à de um isolante. Há uma banda de valência preenchida separada de uma banda de condução vazia e um espaçamento (gap) entre elas. O espaçamento é considerado alto, o que explica a dificuldade de os elétrons atingirem condições de condução. Isolantes - gap muito grande; em temperaturas “normais” nenhum elétron consegue passar da banda de valência para de condução ruptura dieletrica 10^10V
- O quarto tipo de estrutura corresponde à de um semicondutor. Há também uma banda de valência e uma de condução, mas o gap entre ambas é menor, o que explica um aumento na condutividade. Fotoexcitação. Nos semicondutores, a largura da banda proibida é equivalente à energia dos fótons na região do infravermelho do espectro eletromagnético. Portanto os semicondutores são fotocondutores