CIÊNCIA E ENGENHARIA DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAISMATERIAIS

Propriedades Elétricas dos Propriedades Elétricas dos MateriaisMateriais

Plano de AulaPlano de Aula

1.1. Introdução;Introdução;

2.2. Condução Elétrica;Condução Elétrica;

3.3. Semicondutividade;Semicondutividade;

4.4. Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas e em Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas e em

Polímeros;Polímeros;

5.5. Bibliografia.Bibliografia.

1. Introdução1. Introdução

http://mste.illinois.edu/users/Murphy/Resistance/default.html

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

Intensidade Intensidade Campo ElétricoCampo ElétricoCondutividade ElétricaCondutividade Elétrica

Lei de Ohm (Densidade de Corrente, Lei de Ohm (Densidade de Corrente, Condutividade, Campo Elétrico)Condutividade, Campo Elétrico)

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2.1 Estrutura das Bandas de Energia nos Sólidos2.1 Estrutura das Bandas de Energia nos Sólidos

Número de elétrons disponíveis para participar do processo Número de elétrons disponíveis para participar do processo

de condução (elétrons livres).de condução (elétrons livres).

Mas o que é uma “banda de energia eletrônica”?Mas o que é uma “banda de energia eletrônica”?

É uma série de estados de É uma série de estados de

energia dos elétrons que energia dos elétrons que

têm energias próximas na têm energias próximas na

separação interatômicaseparação interatômica

de equilíbrio.de equilíbrio.

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

Quatro tipos diferentes de estruturas de bandas são Quatro tipos diferentes de estruturas de bandas são

possíveis a 0 K.possíveis a 0 K.

Energia de Fermi (Energia de Fermi (EEff): ): Nos metais é a energia correspondente Nos metais é a energia correspondente

ao eletrônico preenchido mais elevado a 0 K, nos isolantes e ao eletrônico preenchido mais elevado a 0 K, nos isolantes e

semicondutores, dentro do espaçamento entre as bandas. semicondutores, dentro do espaçamento entre as bandas.

metais (Cu)metais (Cu) metais (Mg)metais (Mg) isolantesisolantes semicondutoressemicondutores

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2.2 Condução em Termos de Bandas e Modelos de 2.2 Condução em Termos de Bandas e Modelos de

Ligação Atômica Ligação Atômica

ligação metálicaligação metálica

MetaisMetais

pouca energia pouca energia “excitação”“excitação”

alta alta condutividadecondutividade

2.2 Condução em Termos de Bandas e Modelos de 2.2 Condução em Termos de Bandas e Modelos de

Ligação AtômicaLigação Atômica

ligação iônicaligação iônica ou ou covalentecovalente

IsolantesIsolantes e e semicondutoressemicondutores

energia energia “excitação” “excitação”

térmicatérmica

baixabaixa ou ou nenhumanenhuma condutividadecondutividade

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2.3 Mobilidade Eletrônica2.3 Mobilidade Eletrônica

Segundo a mecânica quântica não existe nenhuma interação Segundo a mecânica quântica não existe nenhuma interação

entre elétrons em aceleração e os átomos em um reticulo entre elétrons em aceleração e os átomos em um reticulo

cristalino perfeito.cristalino perfeito.

Assim todos os elétrons livres devem acelerar enquanto o Assim todos os elétrons livres devem acelerar enquanto o

campo elétrico é aplicado, fazendo com que a corrente campo elétrico é aplicado, fazendo com que a corrente

elétrica aumente continuamente, no entanto, sabemos que a elétrica aumente continuamente, no entanto, sabemos que a

corrente atinge um valor constante.corrente atinge um valor constante.

Por quê?Por quê?

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2.3 Mobilidade Eletrônica2.3 Mobilidade Eletrônica

movimento movimento é é em um em um reticulo cristalino perfeito reticulo cristalino perfeito

(baixa temperatura)(baixa temperatura)

movimento movimento é é em em temperatura mais altatemperatura mais alta

movimento movimento é é em uma em uma estrutura com impurezasestrutura com impurezas

2. Condução Elétrica2. Condução Elétrica

2.4 Resistividade Elétrica dos Metais2.4 Resistividade Elétrica dos Metais

Resistividade Resistividade ““impurezas”impurezas”

Resistividade Resistividade térmicatérmica

Resistividade Resistividade ““deformação”deformação”

aumento das discordânciasaumento das discordâncias(efeito pequeno)(efeito pequeno)

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

A condutividade elétrica dos materiais semicondutores não é A condutividade elétrica dos materiais semicondutores não é

tão elevada quanto a dos metais, entretanto eles apresentam tão elevada quanto a dos metais, entretanto eles apresentam

certas características elétricas especiais destinadas a certas características elétricas especiais destinadas a

aplicações específicas.aplicações específicas.

As propriedades elétricas destes materiais são extremamente As propriedades elétricas destes materiais são extremamente

sensíveis a presença de impurezas.sensíveis a presença de impurezas.

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

Existem dois tipos de semicondutores:Existem dois tipos de semicondutores:

Semicondutores Intrínsecos: Semicondutores Intrínsecos: o comportamento elétrico é o comportamento elétrico é

baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material

puro (sem impurezas).puro (sem impurezas).

Semicondutores Extrínsecos: Semicondutores Extrínsecos: neste caso as características neste caso as características

elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas.elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas.

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

3.1 Semicondutores Intrínsecos3.1 Semicondutores Intrínsecos

Os semicondutores intrínsecos são Os semicondutores intrínsecos são

caracterizados por apresentarem acaracterizados por apresentarem a

estrutura de banda mostrada na figura.estrutura de banda mostrada na figura.

A 0 K A 0 K apresentam a banda de valênciaapresentam a banda de valência

completamente preenchida e separadacompletamente preenchida e separada

da banda de condução por uma banda da banda de condução por uma banda

proibida.proibida.

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

3.1 Semicondutores Intrínsecos3.1 Semicondutores Intrínsecos

Os dois semicondutores mais importantes são o silício (Si) e o Os dois semicondutores mais importantes são o silício (Si) e o

germânio (Ge) com o germânio (Ge) com o GAPGAP de energia de 0,7 de energia de 0,7 eVeV e 1,1 e 1,1 eV, eV,

respectivamente.respectivamente.

3.1 Semicondutores Intrínsecos3.1 Semicondutores Intrínsecos

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

sem campo elétricosem campo elétrico com campo elétricocom campo elétrico

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

3.2 Semicondutores Extrínsecos3.2 Semicondutores Extrínsecos

Neste caso as características elétricas são determinadas pelos Neste caso as características elétricas são determinadas pelos

átomos de impurezas. É o caso de praticamente todos os átomos de impurezas. É o caso de praticamente todos os

semicondutores comerciais.semicondutores comerciais.

Os semicondutores extrínsecos são divididos em duas Os semicondutores extrínsecos são divididos em duas

categorias, com uma relação direta à valência da impureza categorias, com uma relação direta à valência da impureza

adicionada.adicionada.

3.2.1 Semicondutores Extrínsecos 3.2.1 Semicondutores Extrínsecos Tipo nTipo n

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

elétron livreelétron livre

Como a impureza doa o elétron para a banda de condução, Como a impureza doa o elétron para a banda de condução,

esta é chamada de esta é chamada de doadora.doadora.

3.2.1 Semicondutores Extrínsecos 3.2.1 Semicondutores Extrínsecos Tipo nTipo n

Os elétrons são os portadores de carga Os elétrons são os portadores de carga majoritáriosmajoritários em função em função

de sua concentração, enquanto os buracos são os de sua concentração, enquanto os buracos são os portadores portadores

minoritários.minoritários.

Nos semicondutores do Nos semicondutores do tipo n,tipo n,

o nível de Fermi é deslocado o nível de Fermi é deslocado

para cima no espaçamento para cima no espaçamento

entre bandas.entre bandas.

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

3.2.2 Semicondutores Extrínsecos 3.2.2 Semicondutores Extrínsecos Tipo pTipo p

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

buracoburaco

Uma impureza desse tipo é chamada de Uma impureza desse tipo é chamada de receptora, receptora, pois é pois é

capaz de aceitar um elétron da banda de valência, resultando capaz de aceitar um elétron da banda de valência, resultando

em um buraco.em um buraco.

Neste caso os buracos são os Neste caso os buracos são os portadores majoritários portadores majoritários e os e os

elétrons, em menor concentração são os portadores elétrons, em menor concentração são os portadores

minoritários.minoritários.

Nos semicondutores Nos semicondutores

do do tipo p, tipo p, o nível de Fermi o nível de Fermi

está posicionado dentro doestá posicionado dentro do

espaçamento entre as bandasespaçamento entre as bandas

e próximo ao receptor.e próximo ao receptor.

3. Semicondutividade3. Semicondutividade

3.2.2 Semicondutores Extrínsecos 3.2.2 Semicondutores Extrínsecos Tipo pTipo p

4. Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas 4. Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas e em Polímerose em Polímeros

4.1 Condução em Materiais Iônicos4.1 Condução em Materiais Iônicos

4. Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas 4. Condução Elétrica em Cerâmicas Iônicas e em Polímerose em Polímeros

4.2 Condução em Polímeros4.2 Condução em Polímeros

A maioria dos materiais poliméricos são maus condutores A maioria dos materiais poliméricos são maus condutores

elétricos devido à indisponibilidade de um grande número de elétricos devido à indisponibilidade de um grande número de

elétrons livres para participar do processo de condução.elétrons livres para participar do processo de condução.

No entanto, nos últimos anos têm sido sintetizados materiais No entanto, nos últimos anos têm sido sintetizados materiais

poliméricos que exibem valores de condutividade elétricas poliméricos que exibem valores de condutividade elétricas

compatíveis aos condutores metálicos, porém ainda sem total compatíveis aos condutores metálicos, porém ainda sem total

compreensão e entendimento. compreensão e entendimento.

Na próxima aula veremos:Na próxima aula veremos:

O Efeito Hall;O Efeito Hall;

Dispositivos Semicondutores;Dispositivos Semicondutores;

Comportamento Dielétrico;Comportamento Dielétrico;

Outras Características Elétricas dos Materiais.Outras Características Elétricas dos Materiais.

5. Bibliografia usada na aula:5. Bibliografia usada na aula:

CALLISTER, W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais: Uma CALLISTER, W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais: Uma

Introdução, Jr., editora LTC, 1995. Introdução, Jr., editora LTC, 1995.

SHACKELFORD, J. F. “Introduction to Materials Science for SHACKELFORD, J. F. “Introduction to Materials Science for

Engineers” 3rd Edition, editora Prentice Hall. Engineers” 3rd Edition, editora Prentice Hall.

SMITH, W. F. “Princípios de Ciência e Engenharia dos SMITH, W. F. “Princípios de Ciência e Engenharia dos

Materiais” 3a Edição, editora McGraw Hill. Materiais” 3a Edição, editora McGraw Hill.

ASKELAND, D. R. “The Science and Engineering of Materials” ASKELAND, D. R. “The Science and Engineering of Materials”

3rd Edition, Editora PWS Publishing Company. 3rd Edition, Editora PWS Publishing Company.

6. Bibliografia sugerida para consulta:6. Bibliografia sugerida para consulta:

Molecular electronics: A DNA that conducts, Elke Scheer, Molecular electronics: A DNA that conducts, Elke Scheer,

Nature Nanotechnology 9, 960–961 (2014) Nature Nanotechnology 9, 960–961 (2014)

doi:10.1038/nnano.2014.293doi:10.1038/nnano.2014.293

Spintronics: A lucky break, John Schaibley, Xiaodong Xu, Spintronics: A lucky break, John Schaibley, Xiaodong Xu,

Nature Physics 10, 798–799 (2014) doi:10.1038/nphys3138Nature Physics 10, 798–799 (2014) doi:10.1038/nphys3138