Aula12 2005 1p, Notas de aula de Engenharia Civil
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Aula 12 de PMT2100 (Materiais) -- 2005
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Aula12_2005

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia

2º semestre de 2005

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005

2

ROTEIRO DA AULA

• Resistência elétrica e a lei de Ohm • Resistividade e condutividade elétrica • Lei de Ohm • Condutividade elétrica • Bandas de energia nos sólidos • Condutividade elétrica dos metais • Condutividade elétrica dos semicondutores

intrínsecos • Condutividade elétrica dos semicondutores

extrínsecos tipo n • Condutividade elétrica dos semicondutores

extrínsecos tipo p

PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005

3

L

U

I

Representação esquemática de um arranjo experimental que permite medir a resistência elétrica de um corpo.

RESISTÊNCIA ELÉTRICA • O comportamento dos materiais, em resposta à aplicação de um CAMPO ELÉTRICO

externo, define as PROPRIEDADES ELÉTRICAS dos materiais. • As propriedades elétricas dependem de diversas características dos materiais,

dentre as quais mencionamos a configuração eletrônica, o tipo de ligação química e os tipos de estrutura e microestrutura.

• A CORRENTE ELÉTRICA é o movimento de portadores de carga que ocorre dentro dos materiais, em resposta à ação de um campo elétrico externo. São portadores de carga: elétrons, buracos eletrônicos, cátions e ânions.

LEI DE OHM

U … Volts (V) = J / C I … Ampères (A) = C / s R … Ohms (Ω) = V / A

• Em 1827 Georg Simon Ohm, baseado em evidências experimentais e utilizan- do o conceito RESISTÊNCIA ELÉTRICA (R) de um corpo, formulou uma lei que relaciona a VOLTAGEM (U) aplicada sobre o corpo com a CORRENTE ELÉ- TRICA (I) que o atravessa.

Unidades SI:

U = R I

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4RESISTIVIDADE E CONDUTIVIDADE ELÉTRICA • Para um corpo cilíndrico de comprimento L e seção transversal de área A (veja a

figura da transparência nº 3), define-se a RESISTIVIDADE ELÉTRICA (ρ) do material do qual o corpo é constituído por

üNote que a resistência é uma PROPRIEDADE DO CORPO enquanto a resisitividade é uma PROPRIEDADE DO MATERIAL do qual o corpo é constituído.

ρ … Ohms-metro (Ω .m) = V.m / AUnidade SI:

σ … (Ohms-metro)-1 (Ω .m) -1 = A / V.mUnidade SI:

• A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ) de um material é uma medida da facilidade com que ele é capaz de conduzir uma corrente elétrica. Define-se a condutividade elétrica como sendo o inverso da resistividade,

ρ = R (A / L)

σ = 1 / ρ

üCuidado com a notação! Observe que, de acordo com a notação do livro texto, estamos utilizando a letra “A” para denotar tanto a área da seção transversal do corpo cilíndrico como a unidade de corrente o Àmpere.

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5LEI DE OHM

• Utilizando o conceito de CONDUTIVIDADE (σ), a LEI DE OHM determina que a DENSIDADE DE CORRENTE (J) num dado material é diretamente proporcional ao CAMPO ELÉTRICO (E) aplicado sobre o mesmo.

J = σ E

E = U/ L … Volts-metros-1 (V/m) = J / m.C J = I/A … Ampères -metros-2 (A/m 2) = C / m 2.s

Unidades SI:

üObservação: O caráter vetorial das diversas grandezas aqui consideradas será omitido em nosso tratamento matemático, ou seja, trataremos apenas de casos de materiais isotrópicos sujeitos a campos elétricos constantes.

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6CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

Condutividade σ em (Ω.m)-1 de uma variedade de materiais à temperatura ambiente.

ISOLANTES CONDUTORES

10-1410-18 10-1010-16 10-610-12 10-210-8 10210-4 106100 104 108

SEMICONDUTORES

• Os materiais sólidos podem ser classificados, de acordo com a magnitude de sua condutividade elétrica, em três grupos principais: CONDUTORES, SEMICONDUTORES e ISOLANTES.

Ag

Cu

NaCl

quartzo

madeira seca

grafite

borracha

SiO2 porcelana

mica

GaAs Si Ge

Si dopado Mn

Fepolietileno

concreto (seco)

poliestireno

vidro

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7CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

• Para uma compreensão aprofundada das propriedades elétricas dos materiais necessitamos considerar o caráter ondulatório dos elétrons e fazer uso de conceitos da mecânica quântica, mas isto está além do escopo desta disciplina.

• Na aula de hoje, explicaremos a condutividade elétrica dos materiais utilizando, de forma simplificada, alguns conceitos provindos da mecânica quântica. Em particular, consideraremos o MODELO DE BANDAS DE ENERGIA ELETRÔNICA NOS SÓLIDOS.

• O MODELO DOS ELÉTRONS LIVRES dos metais supõe que o material é composto por um gás de elétrons que se movem num retículo cristalino formado por íons pesados. Esse modelo prevê corretamente a forma funcional da lei de Ohm. No entanto, ele prevê incorretamente os valores observados experimentalmente para a condutividade elétrica. Por exemplo, para o cobre temos: σ calculado = 5,3 x106 (Ω.m)-1 e σ experimental = 59 x106 (Ω.m)-1.

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8

• Considere um conjunto de N átomos. A distâncias de separação relativamente grandes, cada átomo é independente de todos os demais, e tem os níveis de energia atômica e a configuração eletrônica que teria se estivesse isolado. Contudo, à medida que esses átomos chegam próximos uns aos outros, os elétrons sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes ou são perturbados por eles. Essa influência é tal que cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados eletrônicos proximamente espaçados no sólido, para formar o que é conhecido por BANDA DE ENERGIA ELETRÔNICA.

• A extensão da divisão depende da separação interatômica e começa com as camadas eletrônicas mais externas, uma vez que elas são as primeiras a serem perturbadas quando os átomos coalescem.

• Dentro de cada banda, os estados de energia são discretos, embora a diferença entre os estados adjacentes seja excessivamente pequena.

BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS

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9BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS • Gráfico esquemático da energia eletrônica em função da separação interatômica

para um agregado de 12 átomos (N = 12). Com a aproximação cada um dos estados atômicos 1s e 2s se divide para formar uma banda de energia eletrônica que consiste em 12 estados. Cada estado de energia é capaz de acomodar dois elétrons que devem possuir spins com sentidos opostos.

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10BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS

1s (N estados)

2s (N estados)

2p (3N estados)

• Bandas de energia eletrônica para um material sólido formado por N átomos.

üRepresentação convencional da estrutura da banda de energia eletrônica para um material sólido na separação interatômica de equilíbrio.

üEnergia eletrônica em função da se- paração interatômica para um agrega- do de N átomos, ilustrando como a estrutura da banda de energia na separação interatômica de equilíbrio é gerada.

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11ESTRUTURAS DE BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS Estruturas de bandas de energia possíveis para sólidos a 0 K.

(a) Bandas de energia de METAIS tais como o cobre (Z = 29, … 3d10 4s1) nos quais se encontram disponíveis, na mesma banda de energia, estados eletrônicos não preenchidos acima e adjacentes a estados eletrônicos preenchidos.

(b) Bandas de energia de METAIS tais como o magnésio (Z = 12, 1s2 2s2 2p6 3s2) nos quais ocorre a superposição das bandas de energia mais externas, a preenchida e a não- preenchida.

(c) Bandas de energia típicas de ISOLANTES: a BANDA DE VALÊNCIA (banda de energia preenchida) é separada da BANDA DE CONDUÇÃO ( banda de energia não-preenchida) por um GAP DE ENERGIA (banda de energia proibida, ou seja, barreira de energia) de largura relativamente grande (>2 eV).

(d) Bandas de energia de SEMICONDUTORES: a estrutura de bandas de energia é semelhante à dos isolantes, mas com gaps de energia de larguras menores (<2 eV).

Banda de valência

preenchida

Gap de energia

Banda de condução

vazia

Banda de valência

preenchida

Gap de energia

Banda de condução

vazia

Estados preenchidos

Estados vazios

Gap de energia

Banda vazia

Ef Banda

preenchida

Banda vazia

Ef

(a) (b) (c) (d)

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• A ENERGIA DE FERMI, Ef, é uma conseqüência do caráter estatístico do comportamento dos elétrons e do Princípio de Exclusão de Pauli. Para metais a T = 0K, Ef é definida como a energia máxima dos estados eletrônicos ocupados. Para semicondutores e isolantes Ef tem um valor situado na faixa de energias do poço de potencial.

• Nos metais, somente elétrons com energia maior que Ef podem ser acelerados na presença de um campo elétrico. Esses elétrons são os que participam do processo de condução e são chamados de ELÉTRONS LIVRES.

• Em semicondutores e isolantes, os BURACOS ELETRÔNICOS têm energia menor que Ef e também participam do processo de condução.

• O processo de condução se origina na mobilidade dos PORTADORES DE CARGA.

CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

13

n = número de porta- dores de carga (elé- trons) por unidade de volume |e| = magnitude da car- ga dos portadores (1,6x10-19 C) µε = mobilidade dos portadores de carga

• Em metais, um elétron torna-se livre quando passa para um estado de energia disponível e não preenchido acima de Ef; é pequena a energia necessária para tal mudança.

CONDUTIVIDADE ELÉTRICA - METAIS

• A condutividade elétrica dos metais condutores diminui à medida que a sua temperatura aumenta.

• A condutividade elé- trica dos metais po- de ser representada pela equação

OCUPAÇÃO DOS ESTADOS ELETRÔNICOS

Antes da excitação eletrônica

Após a excitação eletrônica

E ne

rg ia

Ef

Excitação do elétron

Ef

Estados preenchidos

Estados vazios

σ = n |e| µε

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• No caso de isolantes e semicondutores, um elétron torna-se livre quando salta da banda de valência para a banda de condução, atravessando o gap de energia. A energia de excitação necessária para tal mudança é aproximadamente igual à largura da barreira.

CONDUTIVIDADE ELÉTRICA - SEMICONDUTORES E ISOLANTES

Excitação do elétron

B an

da d

e va

lê nc

ia B

an da

d e

co nd

uç ão

G ap

d e

en er

gi a

Buraco na banda de valência

Elétron livre

E ne

rg ia

EG

OCUPAÇÃO DOS ESTADOS ELETRÔNICOS

Antes da excitação eletrônica

Após a excitação eletrônica

• Quando o elétron sal- ta da banda de valên- cia para a banda de condução são gera- dos tanto um elétron livre quanto um bura- co eletrônico.

• A diferença entre semicondutores e iso- lantes está na largura do gap de energia. Comparada com a largura do gap de energia dos isolantes, a dos semicondutores é bastante pequena.

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15MATERIAIS SEMICONDUTORES • SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS são aqueles cujo comportamento elétrico

depende basicamente da estrutura eletrônica do material puro. Sua condutividade elétrica geralmente é pequena e varia muito com a temperatura.

• SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS são aqueles cujo comportamento elétrico depende fortemente do tipo e da concentração dos átomos de impurezas. A adição de impurezas para a moldagem do comportamento elétrico dos semicon- dutores é chamada de DOPAGEM.

• A maioria dos semicondutores comerciais elementais são extrínsecos; o mais importante exemplo é o Si, mas também estão nesta categoria o Ge e o Sn. É a possibilidade de adicionar impurezas diversas ao material puro que permite a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos a partir do mesmo material semicondutor.

• Os semicondutores extrínsecos têm condutividade que varia pouco com a temperatura e cujo valor é controlado pela concentração de impurezas. As concentrações utilizadas variam de 1014 cm-3 (1 parte em 108, considerando 1022 átomos por cm3) a 1020 cm-3 (1 parte em 102, que é muito alta).

• Semicondutores intrínsecos de compostos dos grupos III-V e II-VI vêm adquirindo crescente importância para a indústria eletrônica nos últimos anos.

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16SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Modelo de ligação eletrônica para a condução elétrica no Silício intrínseco

(a) Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

(b) Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Campo E

(c) Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Campo E

elétron livre buraco

elétron de valência

(a) Antes da excitação eletrônica.

(b) e (c) Após a excitação eletrônica (os movimentos subseqüentes do elétron livre e do buraco em resposta a um campo elétrico externo).

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• A condutividade elétrica dos materiais semicondutores pode ser representada pela equação

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

σ = n |e| µε + p |e| µb ,

• Note que µε > µb. • A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos aumenta à medida que a

temperatura aumenta. • Para semicondutores intrínsecos, n = p. Portanto,

onde: n = número de elétrons livres por unidade de volume; p = número de buracos eletrônicos por unidade de volume; |e| = magnitude da carga dos portadores (1,6x10-19 C);

µε = mobilidade dos elétrons livres; µb = mobilidade dos buracos eletrônicos.

σ = n |e| (µε + µb) .

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σ ≈ n |e| µε .

• Modelo de ligação eletrônica para a semicondução extrínseca do tipo n. Por exemplo, a dopagem do Si (valência 4) com P (valência 5) gera elétrons livres; uma impureza desse tipo é chamada de doadora.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS DO TIPO n

Si Si Si Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si Si Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Campo E Campo E

Si Si Si Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

(a) (b) (c)

(a) O átomo de impureza (P) substitui um átomo hospedeiro de Si, resultando em um elétron extra ligado ao átomo de impureza.

(b) Excitação do elétron extra como conseqüência da aplicação de um campo elétrico externo, formando-se um elétron livre.

(c) Movimento do elétron livre em resposta ao campo elétrico externo.

• Para semicondutores do tipo n, os elétrons livres são os principais portadores de corrente, isto é, n >> p. Portanto,

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• Esquema da banda de energia eletrônica para um nível de impu- reza doadora localizado dentro do gap de energia, imediatamente abaixo da parte inferior da banda de condução.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS DO TIPO n

Estado doador

B an

da d

e va

lê nc

ia B

an da

d e

co nd

uç ão

G ap

d e

en er

gi a

E ne

rg ia

• Excitação de um estado doador em que um elétron livre é gerado na banda de condução.

Elétron livre na banda de condução

B an

da d

e va

lê nc

ia B

an da

d e

co nd

uç ão

G ap

d e

en er

gi a

E ne

rg ia

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20SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS DO TIPO p • Modelo de ligação eletrônica para a semicondução extrínseca do tipo p.

Por exemplo, a dopagem do Si (valência 4) com B (valência 3) gera buracos eletrônicos; uma impureza desse tipo é chamada de receptora.

(a) Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

(b) Campo E

Si Si Si Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

(a) O átomo de impureza (B) substitui um átomo hospedeiro de Si, resultando na deficiência de um elétron de valência ou, de forma equivalente, num buraco eletrônico associado ao átomo de impureza.

(b) Movimento do buraco eletrônico em resposta a um campo elétrico externo.

• Para semicondutores tipo p, os buracos eletrônicos são os principais portadores de corrente, isto é, p >> n. Portanto,

σ ≈ p |e| µb .

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• Esquema da banda de energia para um nível de impureza receptora localizado dentro do gap de energia, imediatamente acima da parte superior da banda de valência.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS DO TIPO p

• Excitação de um elétron para o nível receptor, deixando para trás um buraco na banda de valência.

Buraco na banda de valência

B an

da d

e va

lê nc

ia B

an da

d e

co nd

uç ão

G ap

d e

en er

gi a

E ne

rg ia

Estado receptor

B an

da d

e va

lê nc

ia B

an da

d e

co nd

uç ão

G ap

d e

en er

gi a

E ne

rg ia

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Ø Capítulos do Callister tratados nesta aula üCapítulo 19 : seções 1 a 7, 9, 10 e 11.

Ø Leitura Adicional ü J. F. Shackelford em “Introduction to Materials Science for

Engineers”, 4ª edição, Prentice-Hall Inc.,1996. § Capítulo 11.

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