Semicondutores

Semicondutores – são materiais cuja condutividade elétrica se situa entre os metais e os isolantes

Semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro.

À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC), banda de valência totalmente preenchida e a banda de condução vazia (gap da ordem de 1 eV) comporta-se como um isolante,

Alguns elétrons podem ser excitados termicamente para a banda de condução, deixando estados vacantes na banda de valência, que se comportam como partículas positivas.

Cada excitação térmica promove um elétron para a banda de condução –formam-se dois portadores de carga: elétrons e lacunas (vazios)

ACIMA DO ZERO ABSOLUTO•A energia térmica quebra algumas ligações covalentes, isto é, envia alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução.• Sob ação do campo elétrico, estes elétrons livres movem-se • Cada vez que um elétron é bombeado para a banda de condução, cria-se uma lacuna na banda de valência.• Quanto mais alta a temperatura, maior o número de elétrons de valência empurrados para a banda de condução e maior a corrente.• À temperatura ambiente (25ºC) a corrente épequena demais para ser utilizável.•À essa temperatura um pedaço de silício não ébom isolante nem bom condutor, por esta razão é chamado semicondutor.

Semicondutores extrínsecos

Comportamento elétrico é determinado pelas impurezas Impurezas formam soluções sólidas substitucionais muito diluídas nas quais os átomos de impurezas dissolvidos têm características de valência diferentes dos átomos da rede cristalina

Electrão livre do Arsénio

Semicondutores intrínsecos tipo n

Solução sólida com átomos com valência maior.

Ex: Silício dopado com arsênio

haverá 1 elétron em excesso (fracamente ligado ao núcleo positivamente carregado do arsênio)

Impureza desse tipo – doador (doa um elétron para a banda de condução)

Semicondutor tipo pSolução sólida com átomos com valência menor.Ex: Silício dopado com Boro

Uma das ligações covalentes ao redor de cada um dos átomos de boro fica deficiente em um elétron

Impureza desse tipo - receptor, pois ela é capaz de aceitar um elétron da banda de valência, deixando para trás um buraco

Cerâmicas semicondutoras

- Varistores- termistores- elementos de aquecimento

Elementos de aquecimento

Ex: SiC, MoSi2, grafita

Ex. SiC – semicondutor extrínseco - tipo n (dopado com N) e tipo p (dopado com Al)

Há eficiente condutividade para dar passagem a corrente, entretanto, sua resistência éapreciavelmente maior que a dos metais e dá origem, assim, a um aquecimento ôhmico considerável

Efeito Joule – se uma voltagem é aplicada a uma substância que tem uma certa resistência, a energia proporcional ao quadrado da corrente através da substância será convertida em calor

• Um elemento de aquecimento de carbeto de silício (SiC) étipicamente uma barra cilíndrica extrudada ou cilindro fabricado a partir de partículas de alta pureza de carbeto de silício que são sinterizados em um só corpo através do processo de união de reações ou de recristalização a temperaturas que ultrapassam 2150°C.• A recristalização forma finas partículas de carbeto de silício que atuam como “pontes” ou pontos de conexão entre os grãos maiores formando, portanto, cursos condutores. O número de pontes formado determina a resistência do material – quanto maior for o número, mais baixa será a resistência. •Os elementos de aquecimento de carbeto de silício, sendo 20–30% porosos, oxidam ou reagem com a atmosfera do forno e aumentam sua resistência durante seu ciclo de vida operacional. A oxidação causa uma redução na área da seção transversal das pontes, resultando em maior resistência para o fluxo elétrico.• O oxigênio no ar reage com a partícula de carbeto de silício, transformando-a em sílica (SiO2) como indicado pela equação

SiC + 2O2 SiO2 + CO2

• Na maioria dos casos, os elementos de aquecimento de carbeto de silício apresentam falhas mecânicas bem antes de apresentar falhas devido ao envelhecimento.

-Várias marcas comerciais, incluindo Globar® e StarBar®. - Podem ser utilizados ao ar até1650°C. - Ciclo de vida - Os fatores que influenciam o ciclo de vida útil de um elemento de aquecimento de carbeto de silício: tipo de atmosfera do forno, a densidade em watt, a temperatura de trabalho, o tipo de serviço (contínuo ou intermitente) e a manutenção.

SiC

MoSi2

Termistores

Thermistor – “thermally sensitive resistor” Materiais cerâmicos semicondutores nos quais a resistência varia em função da temperatura São resistores termicamente sensíveis, cujas características exibem grandes mudanças na resistência com uma pequena mudança da temperatura do corpo, devido à alteração na concentração de portadores de carga. Usado para medição e controle de temperatura

NTC (negative temperature coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência negativo em função da temperatura

a resistência diminui com o aumento da temperatura PTC (positive temperature Coeficiente) apresentam um coeficiente de resistência positivo em função da temperatura

a resistência aumenta com o aumento da temperatura

Materiais utilizados na fabricação de termistores

• óxidos cerâmicos semicondutores dos elementos Mn, Ni, Fe, Co e Cu ou uma combinação desses óxidos, sob a forma de solução sólida

Ex: Fe3O4

• Possuem íons com valência dupla• estrutura do espinélio invertida (16 posições octaedrias e 8 posições tetraedrais)

• Íons Fe2+ ocupam os interstícios octaedrais• íons Fe3+ ocupam metade dos interstícios octaeidras e todos os interstícios tetraedrais

• Boa condutividade está associada a localização aleatória dos íons Fe2+ e Fe3+ nos espaços octaedrais, de forma que a transferência de elétrons pode ser realizada entre os íons Fe3+ e Fe2+ mantendo-se a neutralidade

MnO com íons Li em solução sólida

- íons trivalente estabelecem os vazios eletrônicos- a temperaturas elevadas, os elétrons movem-se para esses vazios, reduzindo a resistividade

Varistores

• 1957 – ZnO-TiO2

• 1961-1963 – ZnO-Al2O3 e ZnO-Bi2O3

• 1971 – cerâmicas multicomponentes com propriedades muito superiores97%ZnO-1%Sb2O3-0,5%MnO-0,5%CoO-0,5%Cr2O3

• São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não –ôhmica

Varistores comuns são produzidos por um processo de sinterização de cerâmicas prensadas que dão origem a uma estrutura desordenada de grãos condutores de ZnO cercados por finas barreiras isolantes.

• São materiais cerâmicos policristalinos cuja relação entre corrente-tensão (I-V) é não –

ôhmica•A não-linearidade I x V é definida pela equação empírica

I – correnteV – potencial elétricoK- constante relacionada a microestrutura do materialA – coeficiente de não linearidade

1. Região linear de baixa corrente – comportamento ôhmico2. Região não linear – na qual a corrente varia amplamente e o potencial

correspondente tem pouca variação3. Região linear de alta corrente

Modelo para descrever as propriedades não-ohmicas

-Presença de uma barreira de potencial localizada na região entre os grãos

-Nos varistores de ZnO dopados – grãos de ZnO dopados envolvidos numa matriz (filme de Bi2O3) cerâmica isolante

-Na região não-linear – difusão do zinco, do oxigênio e dos elementos dopantes durante o processo de operação do varistor, dando origem à formação da barreira de potencial nos contornos de grão

- A baixas voltagens – material exibe baixa condutividade elétrica, porque a matriz isolante previna a passagem de corrente elétrica entre os grãos de ZnO- A altas voltagens – elétrons tem suficiente energia para sobrepor as barreira isolantes entre os grãos de ZnO condutores

-A barreira de potencial existentes no contorno de grão, formada pelos dopantes, édependente da quantidade de defeitos induzidos por estes

Varistores de SnO2

SnO2 – não densifica, predominância de mecanismos não-densificantes, como evaporação-condensação-Adição de CoO – densifica até 98,5% DT-Sistema SnO2-CoO microestrutura mias homogênea, facilita o controle microestrutural durante a sinterização- Dopantes – Nb2O5, Cr2O3, Ta2O5, MnO2

Aplicações: • pára-raios• dispositivos eletrônicos para proteção contra sobrecarga de tensão em circuitos eletrônicos•Dispositivos de descarga elétrica na rede de distribuição de energia•Proteção de equipamentos eletro-eletrônicos de uso residencial e industrial