Aula 5_3 Condutores, Isolantes, Semicondutores e Supercondutores
Física Geral e Experimental III
Prof. Cláudio Graça
Capítulo 5
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.
Semicondutores
O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural, não é um bom condutor, nem um bom isolante.
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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)
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 ?)
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…
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.
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
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.)
• 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
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)
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
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