Semicondutores ExtrínsecosGrupo 14p

Grupo 13 Grupo 15

Tipo p:Impurezas com 3

Tipo n:

Impurezas com 5pelectrões de valência

Impurezas com 5electrões de valência

+Li

Si ([Ne]3s2 3p2) dopado com As ([Ar]3d10 4s2 4p3)

Si ([Ne]3s2 3p2) dopado com B (1s2 2s2 2p1)e‐

e+

EDiagrama de Bandas de Energia

(S )

Impurezas do Grupo 15

E

0

[As(Si4)]

Ei(As) = 9.81 eV

Ei(Si) = 8.15 eV

4 OM σ*sp3

4p

3p

3s

Si(sp3) SiAs4s

As(sp3) [As(Si4)]4 OM σsp3

E XDiagrama de Bandas de Energia

X[As(Si )]E

0

X[As(Si4)]

Ei(As) = 9.81 eVEi(Si) = 8.15 eV

4p

3p4X OM σ*sp3

(X e-s)

3s4X OM σsp

Si(sp3) SiAs4s

As(sp3) X[As(Si4)]

4X OM σsp3(preenchidas)

Diagrama de Bandas de Energia

E

Cristal com X unidades e N-X unidades

0

Ei(Si) = 8.15 eV

4X OM σ*sp3

Ei(As) = 9.81 eV

3

BCSi(sp3)

4(N-X) OM σ*sp3

[Si(Si4)]N-x

Si Nível de impureza4X OM σ sp3

4p

3p(X e-s)3p( p3)

4X OM σsp34s

3sBV 4(N-X) OM σsp33s

(preenchidas)

Si(sp3)X[As(Si4)] SiAs As(sp3)

Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos

ETipo n (portadores maioritários: n)

BCBC

Tipo n (portadores maioritários: n)

BC

Eg

nível de impureza doadoraBC

Eid

EF

BV

Diagrama de Bandas de Energia 

E

Cristal com  X unidades e  N‐X unidades 

4X OM σ*sp

0

Ei(Ga) = 6,00 eV Ei(Si) = 8,15 eV[Si(Si4)]N‐x4X OM σ*sp3

4p

3

Ga(sp3)

(vazias)

Si

BCBC 4(N‐X) OM σ*sp3

4s

3p

Ní l d i

4X OM σsp3(7X e‐s)

Si(sp3)

3p

Si(sp3)X[Ga(Si4)]

4X OM σsp3

SiGa

3s

Ga(sp3)

Nível de impureza( )

3sBV 4(N‐X) OM σsp3

Si(sp3)X[Ga(Si4)] SiGa Ga(sp3)

Diagramas de bandas de energia para semicondutores extrínsecos 

ETipo n Tipo p(portadores maioritários: n) (portadores maioritários: p)

BCBCBC BC

Tipo n p p(portadores maioritários: n) (portadores maioritários: p)

BCBC

Eg Eg

nível de impureza doadora

BC BCEid

EF

BVBV

nível de impureza aceitadoraEia

EF

Variação da mobilidade de portadores com a temperatura

μ = b T3/2A baixas temperaturas (zona extrínseca):

A temperaturas elevadas (zona intrínseca): μ = a T-3/2

log μ

declive: 3/2 d li 3/2declive: 3/2 declive: -3/2

Regime extrínseco

Regime intrínseco

T / K

Variação da densidade de portadores com a temperatura

√ E /2k TZona extrínseca ou de impureza: n = n0 T3/4 √Nd e- Eid/2kBT

oup = p0 T3/4 √Na e- Eia/2kBT

(tipo n)

(tipo p)

Zona intrínseca : n≅p = constante × T3/2 e- Eg/2kBT

Zona de saturação: n constante (tipo n) ou p constante (tipo p)

log ne

l

Zona intrínseca

Zona extrínseca

Zona de saturação

Impurezas totalmente ionizadasSemicondutor extrínsecotipo n:

log p

li h i t íp

n

1/T / K-1

linha intrínseca (declive = -Eg/2kB)

p

Variação da condutividade de portadores com a temperatura

Zona intrínseca

Zona extrínseca

Zona de saturação

log σσ = bT3/2 e n0 T3/4 √Nd e- Eid/2kBT

= constante ×T9/4× e - Eid/2kBT

σ =Nd e aT-3/2

σ = σ0×e- Eg/2kBT co s a e eσ σ0×e

1/T / K-1

Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente

108prataouro10

106

104

alumínioouro

grafite (valor médio)Condutores

10‐2

102

1germânio

Semicondutores

σ / S m‐1

10‐2

10‐4

10‐6

silício

vidro comum

10‐10

10‐8

cloreto de sódiobaquelite Isoladores

10‐16

10‐14

10‐12

micas

polietileno

10‐18

10 polietileno

Isolantes

C

Eg>3 eVDiagrama de Bandas de Energia

BC

BV

Carbono diamante

*4N σ*4 OM σ*sp3

EEg

σsp3*(banda de condução)

(banda proibida)

Csp3

g

(banda de valência)

(banda proibida)

σsp34 OM σsp3 4N σ

[C(C4)] [C(C4)]N

Compostos Iónicos AB

A d 17 ( 5) B d 1 ( 1)A do grupo 17 (np5) e B do grupo 1 (ns1)

B d 4N í i i

E0

Banda com 4N níveis , vazia

N át d B

Ei(B)

N átomos de B4N níveis de valência

Eg> 3eVEi(A)

Banda com 4N níveis, preenchida (8N electrões)N átomos de A

4N níveis de valência4N níveis de valência

Conduzem a corrente eléctrica quando fundidos, por movimento orientado dos iões

Condutividades de Alguns Materiais à Temperatura Ambiente

108prataouro10

106

104

alumínioouro

grafite (valor médio)Condutores

dos

10‐2

102

1germânio

Semicondutores

ros Co

njugad

σ / S m‐1

10‐2

10‐4

10‐6

silício

vidro comum Polím

er

10‐10

10‐8

cloreto de sódiobaquelite Isoladores

10‐16

10‐14

10‐12

micas

polietileno

10‐18

10 polietileno

Polímeros Condutores e Semicondutores

condutores semicondutores

orbitais σ*, vazias

Banda com as orbitais π preenchidas

σ*, vazias

π* vaziasBanda com as orbitais π preenchidase as π* vazias

Egπ preenchidas

orbitais σ, preenchidas σ, preenchidas

Alan G. MacDiarmid (EUA, NZ)

Hideki Shirakawa(Japão)

Alan Meeger(EUA)

Polímeros Condutores

Polímeros Conjugados

Poliacetileno (PA)

Polipirrole (PPy)(Pirrole)(Pirrole)

Polianilina

Vantagens dos polímeros condutores:propriedades mecânicas

Utilizações:Emissão de luz: polímeros electroluminescentes

Células solares (voltaicas)Células solares (voltaicas)

SupercondutoresAbaixo de uma temperatura crítica conduzem a corrente eléctrica

l i tê i há difi ã b d i d d d t lsem qualquer resistência: há uma modificação brusca das propriedades de metal(Descoberta em 1911 por Heike Onnes)

Tipo 1 : Metais e Metalóides com alguma condutividade à T ambiente.Transição à supercondutividade muito abrupta e diamagnetismo perfeito.

de / Ω

m Metal não supercondutor

Supercondutor

esis

tivid

ad

Tc Temperatura / K

Re

0

E li ã t ó i 1957 (B d C S h i ff ) T i BCSExplicação teórica em 1957 (Bardeen, Cooper e Schrieffer) – Teoria BCS- Prémio Nobel da Física em 1972 -A corrente eléctrica é transportada por pares de electrões (pares de Cooper)

Estado supercondutor

+ + +

Estado supercondutorÁrea de distorção

+ + ++

++ + Par de Cooper

vv

+

+A passagem de um e- entre os átomos carregados positivamente atrai-os para dentro e causa uma distorção.

Os dois electrões (pares de Cooper) ficam ligados e movem-se através da

+ + +

çA rede distorcida cria uma região de potencial mais positivo que atrai outro electrão – forma-se um par de Cooper.

ficam ligados e movem se através da rede

Exemplos de supercondutores de Tipo 1

Metal/Metalóide                       Tc Estrutura

Lead (Pb)Lanthanum (La)Tantalum (Ta)Mercury (Hg)

7.196 K4.88 K4.47 K4 15 K

FCCHEXBCCRHLMercury (Hg)

Indium (In)Thallium (Tl)Rhenium (Re)Protactinium (Pa)

4.15 K 3.41 K2.38 K1.697 K1 40 K

RHLTETHEXHEXTETProtactinium (Pa)

Thorium (Th)Aluminum (Al)Gallium (Ga)Molybdenum (Mo)

1.40 K1.38 K1.175 K1.083 K0 915 K

TETFCCFCCORCBCCMolybdenum (Mo)

Osmium (Os)Zirconium (Zr)Cadmium (Cd)Ruthenium (Ru)

0.915 K0.66 K0.61 K0.517 K0 49 K

BCCHEXHEXHEXHEXRuthenium (Ru)

Titanium (Ti)Uranium (U)Hafnium (Hf)Iridium (Ir)

0.49 K0.40 K0.20 K0.128 K0 1125 K

HEXHEXORCHEXFCCIridium (Ir)

Beryllium (Be)Tungsten (W)Rhodium (Rh)

0.1125 K0.023 K  (SRM 768)

0.0154 K0.000325 K

FCCHEXBCCFCC

Tipo 2: Compostos metálicosLigas

Supercondutores

Ligas“Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos)

Transição à supercondutividade muito suave e temperaturas críticasmais elevadas que os de Tipo 1mais elevadas que os de Tipo 1.

Cuprato (óxido de cobre)YBa2Cu3O7 (Tc= 92 K)

e / Ωm

esistiv

idade

Temperatura / K

Re

(estrutura em camadas)Vários mecanismos propostos

Exemplos de supercondutores de Tipo 2

‐ Compostos metálicos

Supercondutor T

Compostos metálicos‐ Ligas‐“Perovskites" (cerâmicos de óxidos metálicos)

Supercondutor Tc(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+ 254

InSnBa4Tm4Cu6O18+ (*) ~150 K

(Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33HgBa2Ca2Cu3O8HgBa2Ca3Cu4O10+

138 K133‐135 K125‐126 K

Tl B C C O 127 128 KTl2Ba2Ca2Cu3O10(Tl1.6Hg0.4)Ba2Ca2Cu3O10+TlBa2Ca2Cu3O9+

127‐128 K126 K123 K

Sn Ba (Ca Tm )Cu O ~115 KSn2Ba2(Ca0.5Tm0.5)Cu3OxSnInBa4Tm3Cu5Ox

115 K~113 K

Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Oy 115 K (filme espesso emsubstrato de MgO)

(*) – Patente pendente

Levitação magnética (efeito de Meissner)

Um supercondutor abaixo de T temUm supercondutor abaixo de Tc tem diamagnetismo perfeito e é repelido por um campo magnético aplicado

Maglev de Shanghai

• Propriedades Eléctricas dos Materiais

Sumário 22• Propriedades Eléctricas dos Materiais

• Semicondutores Extrínsecos- Tipo n e Tipo p. Diagramas de bandas de energia- Portadores maioritários. Nível de Fermi- Variação da mobilidade, densidade de portadores e

condutividade com a temperaturacondutividade com a temperatura• Isolantes

- Diagramas de bandas de energia- Exemplos

• Polímeros Condutores e Semicondutores- Diagrama de bandas de energiaDiagrama de bandas de energia- Vantagens e Utilizações

• Supercondutores- Tipo 1 e Tipo 2. Exemplos.- Efeito de Meissner