Condução de Eletricidade nos Sólidos

Condução de Eletricidade nos Sólidos

1. 1. Fundamentos Iniciais

   • Condução elétrica envolve: movimentos de cargas em um material sob influência de um campo elétrico
   • O ponto de partida para o estudo da condução de eletricidade nos sólidos é a divisão dos mesmos entre os que conduzem e os que não conduzem
   • Um determinado material pode ser classificado como um bom condutor se ele possui uma grande quantidade de portadores de carga livres

2. 2. Sólidos Cristalinos e Amorfos

   • Cristalinos: Possuem arranjo atômico
   • Amorfos: Estrutura atômica não apresenta ordenação de longo alcance

3. 3. Propriedades Elétricas dos Sólidos

   • Resistividade
     • Medida microscópica de oposição de um material ao fluxo ordenado de elétrons
   • Coeficiente de Temperatura da Resistividade
     • Define a variação da resistividade com a Temperatura
   • Concentração dos Portadores de Carga
     • Número de portadores de carga por unidade de volume

4. 4. Formação de Bandas de Energia

   • Banda de energia em um sólido cristalino
     • Em um átomo isolado, os elétrons ocupam vários níveis de energia, seguindo uma ordem crescente e obedecendo o Princípio de Exclusão de Pauli.
     • A medida que átomos se agrupam os elétrons sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes
     • Cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados eletrônicos aproximadamente espaçados, para formar o que é conhecido como banda de energia eletrônica
     • Banda de Valência: banda de energia mais baixa, nela os estados energéticos tendem a serem completamente ocupados
     • Bandas Proibidas(gap): regiões onde não há níveis de energia eletrônicos
     • Banda de Condução: Banda de maior energia que está parcialmente ocupada por elétrons ou desocupadas
   • Banda de energia em Isolantes
     • Material é dito isolante, se a aplicação de uma DDp no corpo não produz uma corrente elétrica
     • Banda de maior energia é totalmente ocupada
     • Princípio de Exclusão de Pauli impedi que sejam transferidos para níveis já ocupados
   • Bandas de energia em Metais
     • Banda de Valência encontra-se parcialmente preenchida ou há uma super posição de bandas
     • Existem muitos estados com energia ligeiramente maior e vagos para os quais os elétrons podem se transferir
     • A energia associado a presença do campo elétrico é suficiente para excitar os elétrons
   • Bandas de energia em semi-condutores
     • São materiais que possuem uma resistência intermediária entre os condutores e os isolantes
     • Estrutura de bandas semelhantes a um isolante
     • Energias de gap na faixa de 1 meV até 1 eV
     • Agitação térmica faz com que alguns poucos elétrons da banda de valência adquiram energia para passar para a banda de condução

5. 5. Propriedade de Transporte

   • Condutividade
     • Depende da estrutura atômica
     • Depende da densidade de portadores de carga
     • Maior nos metais do que nos semi-condutores
     • Proporcional ao número de elétrons e a mobilidade podendo ser expressa por

6. 6. Probabilidade de Ocupação [P(E)]

   • Energia de Fermi
     • Energia do nível mais alto ocupado por um elétron no zero absoluto
     • No zero absoluto todas as energias são menores que a energia de Fermi [P(E)=1]
     • Em 0 kelvin, acima da energia de Fermi todos os níveis estão desocupados [P(E)=0]
   • Distribuição de Fermi-Dirac
     • Fornece a probabilidade de ocupação de estados quânticos
     • Condições- Princípio de Exclusão de Pauli, partículas idênticas, número total de partículas e energia total do sistema se conserva

7. 7. Densidade de Estados [N(E)]

   • Número de Níveis ou estados por unidade de volume e por unidade de energia
   • Esses estados podem estar, ou não, ocupados por elétrons.
   • Matematicamente;

8. 8.Densidade de Estados Ocupados [N0(E)]

9. 9. Cálculo da Energia de Fermi

   • Para T= 0K

10. 10. Semicondutores Dopados

    • Materiais semicondutores possuem nível de condutividade intermediária entre isolantes e condutores
    • Os principais semicondutores são: Germânico e Silício
    • Camada de valência possui 4 elétrons
    • As propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas
    • A condutividade dos semicondutores pode ser controlada se introduzido um pequeno número de átomos, esse processo é conhecido como dopagem.
    • Semicondutores Intrínsecos
      • Encontrado na natureza de forma mais pura
      • Cada "e" excitado para BC deixa um buraco na BV, assim as concentrações de portadores são iguais
      • Possuem impureza quase nula na faixa de 1ppb
      • Não possuem mobilidade eletrônica significativa
    • Semicondutores Extrínsecos ou Dopado
      • Semicondutores em que as impurezas foram introduzidas artificialmente
      • As impurezas adicionadas devem ter propriedades adequadas de forma que se obtenha a modificação desejada no comportamento
      • Possui teor de impurezas na faixa de 1ppm
      • Elementos comuns no processo de dopagem: Arsênio, Carbono e Gálio
      • A energia térmica disponível à temperatura ambiente é suficiente para excitar os portadores de carga
      • Semicondutores dopados podem ser de dois tipos:
        • Tipo-N
          • Dopados com átomos doadores
          • Dopantes produzem elétrons extras
          • Impureza penta-valente: Fósforo, Arsênio e Antimônio
          • Formações de 4 ligações covalente
          • Um elétron fracamente ligado ao átomo
          • Doam elétrons para a banda de condução sem criar "buracos" na banda de valência
        • Tipo-P
          • Dopados com átomos receptores
          • Dopantes produzem buracos ou portadores de carga positiva extras
          • Impureza trivalente: Alumínio, Boro e Gálio
        • Junção P e N
          • Dopado em uma região com impureza doadora e em região vizinha com impureza receptora
          • Lado P: Buracos como portadores majoritários
          • Lado N: Portadores de carga negativa são majoritários
          • Em contato ha uma difusão de elétrons do Lado N para o Lado P
          • No equilíbrio Lado N tem excesso de cargas positivas e o Lado P de cargas negativas
          • Região de Junção também é conhecida como zona de depleção; onde há íons negativos e positivos fixados pela estrutura cristalina
          • O tamanho da zona de depleção depende do material intrínseco e da quantidade de impurezas.
        • Junção P e N (Diodo)
          • Na zona de depleção forma-se um campo elétrico que impede o movimento eletrônico
          • Há uma alta resistência elétrica
          • Aplicando uma tensão (polarização direta) elétrons são afastados pelo potencial negativo
          • Redução da zona de repleção, facilitando elétrons livres alcançarem buracos livres através dessa zona
          • Pouca energia para elétrons e buracos livres cruzem a junção
          • Tensão mínima aplicada pela fonte que consegue zerar a zona de depleção(potencial de junção
          • Condução de Corrente: V direta > V junção
          • Aplicando uma tensão (polarização reversa), elétrons são atraídos pelo potencial positivo
          • Aumento da zona de depleçao, impedindo elétrons livres de alcançarem lacunas livres através dessa zona
          • Diodo é o tipo mais comum de junção P-N
        • Transistor
          • Estrutura corresponde a dois diodos de junção P-N
          • Regiões constituinte: emissor, base coletor e coletor
          • A junção entre emissor e base é polarizada diretamente o que reduz a região de depleção e passa a ser condutora
          • A junção entre coletor e base é polarizada de maneira reversa criando um campo elétrico que atrai as cargas coletor
          • A base controla o fluxo de portadores de cargas para deslocá-las entre emissor e coletor
          • Usado para amplificar ou trocar sinais eletrônicos

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