Propriedades Elétricas do Materiais - Portal Saber Livre · (1, 2, 3, etc.); Estrutura da bandas de energia nos sólidos ... semicondutores e isolantes. • Os buracos também participam

Propriedades Elétricas do Materiais

Por que estudar propriedades elétricas dos materiais?

• Apreciação das propriedades elétricas demateriais é muitas vezes importante, quandona seleção de materiais e processamento.

• Alguns materiais precisam ser altamentecondutores (por exemplo, fios de conexão),enquanto outros se deseja que sejamisolantes.

• Por isso se faz necessário tal conhecimento.

Mas afinal o que é eletricidade?

• Movimento de elétrons?

Mas afinal o que é eletricidade?

• Movimento de elétrons?• Movimento ordenados de elétrons, em

resposta a forças (elétricas) que atuantes sobre eles, quando submetidos a uma diferença de potencial elétrico.

Lei de OHM

• Imaginemos o seguinte aparato:

Lei de OHM

A maioria dos materiais apresenta esta curvacaracterística quando é percorrida uma correnteelétrica através dele.

Lei de OHM

Analisando o gráfico, temos:

Equação 1

Resistividade

R

A

A

A

Equação 2

Condutividade Elétrica


• Os materiais sólidos exibem uma faixasurpreendente de condutividade elétrica,se estendendo ao longo de 27 ordens degrandezas, provavelmente nenhuma outrapropriedade física experimente estamagnitude de variação.


• Metais – bons condutores – 107 (Ω.m)-1



• Isolantes – 10-10 e 10-20 (Ω.m)-1



• Isolantes – 10-10 e 10-20 (Ω.m)-1

• Semicondutores – 10-6 e 104 (Ω.m)-1

Condução Eletrônica e Iônica

+ -+

-

d.d.p.


• No interior da maioria do materiais sólidosuma corrente tem origem a partir doescoamento dos elétrons, a qual éconhecida como condução eletrônica.


• No interior da maioria do materiais sólidosuma corrente tem origem a partir doescoamento dos elétrons, a qual éconhecida como condução eletrônica.

• Já em outros materiais é possível ummovimento liquido de íons carregados oque produz uma corrente, tal fenômeno échamado de condução iônica.

Estrutura da bandas de energia nos sólidos

• Mecânica quântica:


• Para cada átomo individual existem níveisenergéticos discretos que podem serocupados por elétrons, níveis arranjadosem camadas e subcamadas;



• As camadas são designadas por números,(1, 2, 3, etc.);



• As camadas são designadas por números,(1, 2, 3, etc.);

• As subcamadas s, p, d, f contendorespectivamente 1, 3, 5 e 7 elétrons;






Vazio

gap


• Assim quatros tipos de bandas são possíveis a 0 K.

Preenchido

Vazio

Preenchido Preenchido

Vazio

gap

Vazio

gap

Vazio

PreenchidoEf

Ef


• Algum metais;Vazio

gap

Vazio

PreenchidoEf


• Algum metais;• Cobre - 1s2, 2s2, 2p6, 3s2,

3p6, 4s1;

Vazio

gap

Vazio

PreenchidoEf


• Algum metais;• Cobre - 1s2, 2s2, 2p6, 3s2,

3p6, 4s1; • Como somente a metade

das posições estápreenchida, ainda tem-sea outra metade paraserem ocupadas.

Vazio

gap

Vazio

PreenchidoEf

Estrutura da bandas de energia nos sólidos• Também encontrada em

metais;

Preenchido

Vazio

Ef


metais;• Mg 1s2, 2s2, 2p6, 3s2;

Preenchido

Vazio

Ef


metais;• Mg 1s2, 2s2, 2p6, 3s2;• O nível 3s está totalmente

preenchido, mas poremquando o sólido éformado os níveis 3s e 3pse sobrepõe.

Preenchido

Vazio

Ef

Estrutura da bandas de energia nos sólidos• Essas duas são

semelhantes;

Preenchido

Vazio

gap

Preenchido

Vazio

gap

Estrutura da bandas de energia nos sólidos• Essas duas são

semelhantes;

• Bandas de valênciastotalmente preenchidas,separadas da bandas decondução por umespaçamento.

Preenchido

Vazio

gap

Preenchido

Vazio

gap

Estrutura da bandas de energia nos sólidos• Primeiro caso isolante

elétrico, pois o gap érelativamente amplo;

Preenchido

Vazio

gap

Preenchido

Vazio

gap

Estrutura da bandas de energia nos sólidos• Primeiro caso isolante

elétrico, pois o gap érelativamente amplo;

• Já no segundo casotemos um material do tiposemicondutor, o seu gapé estreito.

Preenchido

Vazio

gap

Preenchido

Vazio

gap

Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica

• A saber: apenas elétrons que possuemenergias maiores que a energia de Fermipodem “sentir” a ação e serem aceleradosna presença de um campo elétrico;


• A saber: apenas elétrons que possuemenergias maiores que a energia de Fermipodem “sentir” a ação e serem aceleradosna presença de um campo elétrico;

• São chamados de elétrons livres


• Uma outra entidade eletrônica carregada, é conhecida por buraco, é encontrada em semicondutores e isolantes.

• Os buracos também participam da condução eletrônica.


• Metais – possuem bandassemi-preenchidas ousobrepostas;

EfE


• Metais – possuem bandassemi-preenchidas ousobrepostas;

• A energia necessária parapromover um elétronacima da energia deFermi é muito pequena.

EfE

Elétron excitado


• Isolantes e semicondutores

E


• Isolantes e semicondutores

• Para serem promovidos aelétrons livre (banda decondução), os elétrons dabanda de valência devemreceber energia para transpor ogap (diferença de energia entreas bandas).

E


• Esse espaçamento entreas banda possui umalargura de vários elétrons-Volts (eV);

E

• Esse espaçamento entreas banda possui umalargura de vários elétrons-Volts (eV);

• Mais frequentemente essaenergia vem de fontes nãoelétricas, como porexemplo luz e calor.


E


• Com o aumento datemperatura diferença deenergia entre as bandasaumenta, assim aprobabilidade de que umelétron seja promovido abanda de conduçãodiminue.

E


• A distinção entre isolanteselétricos e semicondutoresreside na largura doespaçamento entre asbanda.E


• A distinção entre isolanteselétricos e semicondutoresreside na largura doespaçamento entre asbanda.

• Nos semicondutores esseespaçamento é maisestreito que nos isolantes.

E


• Nos materiais isolante elétricos a ligação interatômica é iônica ou fortemente covalente, ou seja, os elétrons de valência estão firmemente ligados, ou seja, seja não estão livre para vagar pelo cristal.


• A ligação nos semicondutores é covalente(ou predominantemente covalente) erelativamente fraca, o que significa que oselétrons de valência não estão firmementeligados ao átomos.


• A ligação nos semicondutores é covalente(ou predominantemente covalente) erelativamente fraca, o que significa que oselétrons de valência não estão firmementeligados ao átomos.

• Consequentemente esses elétrons sãomais facilmente removidos por excitaçãotérmicas do que nos isolantes.

Mobilidade Eletrônica

+ --

d.d.p.

E


• Segundo a mecânica quântica – nãoexiste nenhuma interação entre elétronsme aceleração e os átomos em umreticulo cristalino perfeito.


• Segundo a mecânica quântica – não existenenhuma interação entre elétrons meaceleração e os átomos em um reticulocristalino perfeito.

• Assim todos os elétrons livre deve acelerarenquanto o campo elétrico é aplicado, fazendocom que a corrente elétricas aumentecontinuamente, no entanto, sabemos que acorrente atinge um valor constante. Por quê?

ESTRUTURA PERFEITA A

BAIXA TEMPERATURAMOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS

ALTA TEMPERATURA

MOVIMENTO DOS ELÉTRONS

EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS


• Velocidade de arasteVa = µeεµe é chamado de mobilidade eletrônica

m2/V.s


• Velocidade de arasteVa = µeεµe é chamado de mobilidade eletrônica m2/V.s• Condutividade σ = n.|e|.µe

|e| modulo de carga do elétron (1,6 x 10-19C)σ é proporcional tanto ao número de elétrons

como à mobilidade eletrônica.

Resistividade Elétrica dos Metais

• Em um condutor a resistividade aumenta com o aumento da temperatura, com o aumento da quantidade de impurezas e com o aumento da deformação.

T (°C)-200 -100 0

Cu + 3.32 at%Ni

Cu + 2.16 at%Ni

deformed Cu + 1.12 at%Ni

1

2

3

4

5

6

Re

sist

ivit

y,

(1

0-8

Oh

m-m

)

0

Cu + 1.12 at%Ni

“Pure” Cu

Resistividade Elétrica dos Metais

ρi = Aci(1 – ci)

ci -concentração de impurezas;A - constante que depende tanto do metal de impureza como do

hospedeiro.

Características Elétricas de Ligas Comerciais

• Boa condutividade


• Boa condutividade• Cu (OFHC), Al, Ag;


• Boa condutividade• Cu (OFHC), Al, Ag;• Cu + Be


• Boa condutividade• Cu (OFHC), Al, Ag;• Cu + Be• Fornos, elevada resistividade e resistencia

a oxidação.

Semicondutividade

• Semicondutores intrínsecos são aqueles que apresentam as características de semicondutores com o material puro;

• Semicondutores extrínsecos possuem impurezas na sua estrutura eletrônica

Semicondutividade intrínseca

• Si, Ge (1,1 e 0,7 ev)grupo IV A;

• Grupos III A e V AGaAs, InSb;

• Grupos II B e IV BCdS, ZnTe;

Egap < 2 eV

Semicondutividade

• Cada elétron quandopromovido deixa umburaco na banda devalência.

E

Buraco

Semicondutividade

Semicondutividade

si si si si

si si si si

si si si si

si si si si

campo

Semicondutividade

si si si si

si si si si

si si si si

si si si si

campo

Semicondutividade

si si si si

si si si si

si si si si

si si si si

campo

Semicondutividade

Semicondutividade Extrínseca do Tipo n

si si si si

si P si si

si si si si

si si si si

campo

Semicondutividade Extrínseca do Tipo p

si si si si

si B si si

si si si si

si si si si

campo

Junção p-n

Elétron -

Buraco +

Barreira de potencial

Cargas fixas

Cada material é eletricamente neutro

Cargas móveis

Polarização direta e reversa

Reversa = isolante

Direta = condutor

Elétron -

Buraco +

Elétron -

Buraco +

Transistor

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