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Aula 5_3 Condutores, Isolantes, Semicondutores e Supercondutores
Física Geral e Experimental III
Prof. Cláudio Graça
Capítulo 5
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Conteúdo
• Semicondutores
• Supercondutores
Capítulo: 5, 10
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Isolantes, Semicondutores e Metais
• Isolante é um condutor de eletricidade
muito pobre;
• Condutor metal é um excelente condutor
de eletricidade;
• Semicondutor possui condutividade entre
os dois extremos acima.
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Semicondutores
O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural, não é um bom condutor, nem um bom isolante.
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Silício e o Germânio
• O silício e o germânio são os semicondutores mais antigoa utilizados na construção de dispositivos eletrônicos.
• O silício é o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra.
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Temperatura, Luz e Impurezas
• Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.
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MODELO ATÔMICO DE BOHR
• O átomo - é constituído por partículas elementares, as mais importantes para o nosso estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons.
• Camada de Valência - a última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência.
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Elétrons de Valência
A órbita eletrônica ou camada mais afastada do núcleo é a camada de valência e os elétrons dessa camada são chamados de elétrons de valência.
Num átomo, o número máximo de elétrons de valência é de oito. Quando um átomo tem oito electrões de valência diz-se que o átomo tem estabilidade química ou molecular.
Elétron de valência
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Condutores
Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa
facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está
muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de
valência).
Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência
o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron
(electrão livre).
Número atómico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)
K=2 2n2 = 2x12 = 2
L=8 2n2 = 2x22 = 8
M=18 2n2 = 2x32 = 18
N=1
K L M N 29
P
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Isolantes
Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não
cedem facilmente elétrons já que a sua camada de
valência está quase completa (para estar completa
deveria ter 8 elétrons de valência).
O vidro, a mica, a borracha estão neste caso.
Estes materiais não são condutores da corrente elétrica
porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-
lhes uma grande energia para passar os elétrons de
banda de valência para a banda de condução.
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Semicondutores Intrínsecos
Os átomos com 4 elétrons de valência geralmente não
ganham nem perdem elétrons, é o que acontece com os
materiais semicondutores, Germânio (Ge) e Silício (Si).
Estes materiais, puros são denominados semicondutores
intrínsecos
Número atómico do
Germânio: 32
Número atómico do
Silício: 14
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Camada de Valência
• O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem
quatro elétrons na camada de valência.
• O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons
de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro
da estrutura.
• Os elétrons de valência podem absorver energia externa
suficiente para se tornarem elétrons livres.
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Corrente em Semicondutores
o Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente.
o Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução.
o Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente.
o Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução.
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MATERIAIS EXTRINSECOS
• Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos.
• Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas e chamado de material extrínseco.
• Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P.
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Bandas de energia
Energia
Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo,
muita tensão elétrica) para passar os elétrons da banda de valência para a
banda de condução já que a banda proibida é muito larga. Pelo contrário,
num material condutor a passagem dos elétrons da banda de valência para
a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida.
Os materiais semicondutores estão numa situação intermédia entre os
materiais isoladores e condutores.
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MATERIAL DOPADO TIPO N
• Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo.
• O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal.
• O material tipo N resultante é eletricamente neutro.
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MATERIAL DOPADO TIPO P
• O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio.
• Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna (buraco).
• Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores.
• O material tipo P resultante é eletricamente neutro.
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Semicondutores dopados ou extrínsecos
Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico, fósforo à produzem
semicondutores do tipo-n, por contribuirem com elétrons extras
(impurezas doadoras).
Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, gálio à produzem semicondutores
do tipo-p, por produzirem lacunas ou deficiência de elétrons (impurezas
aceitadoras).
N P
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Estrutura de bandas de energia
Banda de
condução
isolante semicondutor condutor
Banda
proibida
Banda de
Valência
Elétrons
livres
Lacunas
Banda de
condução
Banda de
Valência
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Maior detalhe da estrutura de bandas I
Esquema de níveis do
hidrogênio atômico a) Potencial em uma rede atômica
b) Esquema de níveis de um sólido (bandas)
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Maior detalhe da estrutura de bandas II
a) Condutor b) Isolante c) Semicondutor
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Maior detalhe da estrutura de bandas III
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Resistividade- variação com T
0 0 0T T
• Condutores: mais ou menos linear para a maioria dos condutores,
na temperatura ambiente com coeficiente α usualmente positiva
(porque?)..
• Superconductores: resistividade torna-se nula a temperaturas
muito baixas.
• Semiconductores: nem bons condutores nem isolantes. (Ge, Si,
GaAs, ..) mas podem ser dopados adquirindo propriedades
quânticas especiais para produzir dispositivos semicondutores tais
como: diodos, transistores, células solares, diodos laser, IC, ….
Para semiconductores: Ge, Si, dopados, ρ decresce com o aumento da
temperatura (porque ?)
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Supercondutividade
• 1911 – Kammerlingh Onnes com He liquefeito (Prêmio Nobel)
• Testou R(T) a baixas temperaturas
• Utilizou o Hg, pois podia ser purificado facilmente (por ser liquido)
• Um dos seus estudantes orientados encontrou o fenômeno da supercondutividade, que conta a história ele levou algum tempo para acreditar…
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Supercondutividade
• Supercondutividade é um estado do material no qual = 0.
• Esta propriedade ocorre somente abaixo da temperatura critica (TC), abaixo de um certo valor de corrente (JC), e abaixo de um certo campo magnético (HC).
• Os materiais que são supercondutores tendem a ter TC próxima ao 0.
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Algumas da propriedades dos supercondutores
1. Resistividade nula
2. Portadores de carga são pares de elétrons (BCS)
3. Os campos magnéticos são nulos dentro do supercondutor
4. 100% refletivos a grandes comprimenos de onda da luz
Supercondutividade
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Teoria de Supercondutividade I
1. Em 1957 surgiu uma teoria válida até hoje para explicar a supercondutividade.
2. A teoria diz que a supercondutividade é o resultado da interação entre dois elétrons que formam um par que interage com a vibração atômica, denominados pares de Cooper. Esta teoria foi apresentada 46 anos após a descoberta a supercondutividade.
3. Os autores desta teoria são Bardeen, Cooper, e Schrieffer da University of Illinois.
4. Prêmio Nobel 1972.
(Bardeen já era prêmio Nobel de 1956 pela invenção do transistor de estado sólido.)
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• As partículas da condução elétrica são os elétrons = férmions => “se repelem” entre si, i.e. blindam-se entre si
• +fónons (= vibrações da rede cristalina = “colam”) => pares de elétrons (como a luz) => “atraem-se” entre sí, i.e., não se blindam
• A baixas temperaturas: o movimento Browniano é tão baixo que os pares se colam podendo viajar ao longo do material sem resistência
Teoria de Supercondutividade II
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Supercondutores
Modelo de condução e- -e- (pares de Cooper)
• Supercondutores: Kammerlingh Onnes (1911)
Tc== 4,15 K para o Hg
• Bardeen, Cooper e Schrieffer (1957) – pares
de cooper
• Até recentemente Tc~ 20 K (Hélio Liqüido)
• K.A. Müller, J.G. Bednorz (1987) Tc acima de
120 K (N líquido 77K)
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1. Em 1986, J.G. Bednorz and K. A. Muller publicaram uma descoberta
interessante, um material com La, Sr, Cu, O torna-se supercondutor
a 30 K.
2. O material era o La2-xSrxCuO4.
3. Em 1987, YBa2Cu3O7 mostrou-se supercondutor a 91 K.
4. De acordo com a teoria BCS , o material não deveria ser
supercondutor, pois a essa temperatura a super-condução não ocorre.
Teoria de Supercondutividade III
Supercondutividade a alta temperatura crítica