Semicondutores e Eletrônica

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<p>Dispositivos eletrônicos</p><p>Professora: Keila Santos</p><p>Universidade Federal Rural de Pernambuco</p><p>Unidade Acadêmica de Belo Jardim</p><p>Materiais semicondutores</p><p>Fluxo de corrente elétrica e convenções</p><p>Resumo</p><p>• Os semicondutores são caracterizados por uma banda de valência cheia e uma banda de</p><p>condução vazia a T=0, separadas por um gap de energia relativamente pequeno,𝐸𝑔< 2 eV.</p><p>• A concentração de elétrons na banda de condução de um semicondutor puro varia</p><p>exponencialmente com a temperatura, o que faz a sua condutividade depender fortemente da</p><p>temperatura. Os semicondutores puros, também chamados intrínsecos, são utilizados em</p><p>poucos dispositivos.</p><p>• A condutividade dos semicondutores pode ser drasticamente alterada com a presença de</p><p>impurezas, ou seja, de átomos diferentes dos que compõem o cristal puro. É esta a</p><p>propriedade que possibilita a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos a partir</p><p>do mesmo material semicondutor. O processo de colocar impurezas de elementos</p><p>conhecidos num semicondutor é chamado de dopagem, semicondutores com impurezas são</p><p>chamados de dopados ou extrínsecos.</p><p>Obs: Em Si, o gap é 𝐸𝑔 =1,16 eV em T=0 e diminui com o aumento de T, o</p><p>Ge tem estrutura de bandas semelhante ao de Si, porém com um gap</p><p>menor ����𝑔 = 0,66 eV à temperatura ambiente. Isto faz com que suas</p><p>propriedades elétricas sejam mais sensíveis a mudanças de temperatura do</p><p>que em Si.</p><p>Distribuição Eletrônica do Germânio e do Silício</p><p>• Germânio (Ge)</p><p>• Número atômico: 32</p><p>• Configuração eletrônica:</p><p>• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p²</p><p>• Silício (Si)</p><p>• Número atômico: 14</p><p>• Configuração eletrônica:</p><p>• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²</p><p>Ambos os elementos formam bandas híbridas quando átomos se juntam para formar um cristal. A</p><p>formação dessas bandas é crucial para suas propriedades eletrônicas, especialmente como</p><p>semicondutores.</p><p>Banda de Valência: Formada pelos elétrons de valência, ou seja, os elétrons na camada mais</p><p>externa (4s² 4p² para Ge e 3s² 3p² para Si).</p><p>•Hibridização sp³:</p><p>•Tanto o silício quanto o germânio têm quatro elétrons de valência (dois s e dois p).</p><p>•Esses orbitais se combinam para formar quatro novos orbitais híbridos chamados orbitais sp³.</p><p>•Esses orbitais sp³ têm a mesma energia e formam uma estrutura tetraédrica, onde cada átomo de</p><p>silício ou germânio se liga a quatro outros átomos</p><p>Elétrons e buracos em semicondutores Intrínsecos.</p><p>Massa efetiva de elétrons</p><p>No contexto da física do estado sólido, o vetor de onda 𝑘=𝑘𝑚𝑐 ​ (onde 𝑘𝑚𝑐 ​ é</p><p>um vetor específico) indica a posição no espaço recíproco (representação</p><p>matemática onde o vetor de onda k descreve a posição dos elétrons no</p><p>cristal), onde a energia da banda de condução atinge seu valor mínimo.</p><p>• Massa Efetiva e Reação à Força</p><p>1. Massa Efetiva Positiva:</p><p>1. Em materiais com massa efetiva positiva (como no fundo da banda de condução), um elétron</p><p>se move na mesma direção da força aplicada. Por exemplo, se você empurrar um elétron para</p><p>a direita, ele se moverá para a direita.</p><p>2. Massa Efetiva Negativa:</p><p>1. Em materiais com massa efetiva negativa (como no topo da banda de valência), um elétron se</p><p>move na direção oposta à força aplicada. Por exemplo, se você empurrar um elétron para a</p><p>direita, ele se moverá para a esquerda.</p><p>• Massa Efetiva e Curvatura da Banda</p><p>1. Curvatura da Banda de Energia:</p><p>1. Em um cristal, a energia dos elétrons é descrita pela relação E(k), onde k é o vetor de onda.</p><p>2. A forma dessa relação E(k) em função de k determina a massa efetiva dos elétrons.</p><p>2. Curvatura Positiva e Negativa:</p><p>1. Curvatura Positiva: No fundo da banda de condução, a curvatura da relação E(k) é para</p><p>baixo (semelhante a um vale). Isso dá uma massa efetiva positiva.</p><p>2. Curvatura Negativa: No topo da banda de valência, a curvatura da relação E(k) é para cima</p><p>(semelhante a uma colina). Isso dá uma massa efetiva negativa.</p><p>Direção do Movimento:</p><p>• Com massa efetiva negativa, a relação entre força e movimento é invertida. Quando uma</p><p>força é aplicada, o movimento do elétron é na direção oposta ao que seria esperado para</p><p>uma massa efetiva positiva.</p><p>• Isso ocorre porque a força aplicada causa um aumento na energia do elétron, mas a</p><p>curvatura da banda (para cima no topo da banda de valência) faz com que o elétron se</p><p>mova na direção oposta.</p><p>•Carga Positiva: A força elétrica tem o mesmo</p><p>sentido que o campo elétrico.</p><p>•Carga Negativa: A força elétrica tem o sentido</p><p>oposto ao campo elétrico.</p><p>Criação e recombinação de pares elétron-buraco</p><p>Slide 1: Dispositivos eletrônicos</p><p>Slide 2: Materiais semicondutores</p><p>Slide 3</p><p>Slide 4</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9</p><p>Slide 10</p><p>Slide 11</p><p>Slide 12: Resumo</p><p>Slide 13</p><p>Slide 14</p><p>Slide 15</p><p>Slide 16</p><p>Slide 17: Elétrons e buracos em semicondutores Intrínsecos.</p><p>Slide 18</p><p>Slide 19</p><p>Slide 20</p><p>Slide 21</p><p>Slide 22</p><p>Slide 23</p><p>Slide 24</p><p>Slide 25</p><p>Slide 26: Criação e recombinação de pares elétron-buraco</p><p>Slide 27</p>