propriedades elétricas de materiais
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Aula sobre propriedades elétricas de materiaisTRANSCRIPT
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