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E as questões?

E as questões?. Resumo anterior. Aplicações de Raio-X Área Analítica, difração, Lei de Bragg, Fator de Estrutura Geométrico. Área de Imagem, radiografia Luz sincrotron Óptica de raio-x, policapilaridade Microscopia de raio-x Laser de raio-x (brandos e duros). 20110328.

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Presentation Transcript

  1. E as questões?

  2. Resumo anterior • Aplicações de Raio-X • Área Analítica, difração, Lei de Bragg, Fator de Estrutura Geométrico. • Área de Imagem, radiografia • Luz sincrotron • Óptica de raio-x, policapilaridade • Microscopia de raio-x • Laser de raio-x (brandos e duros) 20110328

  3. Desde que vimos como são as diferentes formas dos cristais, vejamos como são formados De ligações a bandas

  4. Formação de um sólido • Átomos livres • Configuração eletrônica dos átomos • Aproximação dos átomos • Diferentes tipos de forças interatômicas: coulômbica, repulsão, covalente • Formação de bandas de energia • Formação de sólidos • Diferentes tipos de sólidos: metal, isolante, semicondutor

  5. Diferentes tipos de forças interatômicas Eletrostática ~ 20 kJ/mol van der Waals 0.4 – 4 kJ/mol

  6. Diferentes tipos de forças interatômicas Hidrogênica 12 – 30 kJ/mol Materiais duros, alto ponto de fusão, diamante, silício, quartzo Covalente ~ 350 kJ/mol Outras forças fracas ou desprezíveis: magnética e gravitacional

  7. +0.5 E/kJ/mol 0 r/Å 1 2 3 4 5 repulsão -0.5 soma atração Principais tipos de ligações Argon xstal: http://www.webelements.com/argon/crystal_structure_pdb.html • Van der Waals • Iônica • Metálica • Covalente Sodium xstal: http://www.webelements.com/sodium/crystal_structure_pdb.html Carbon xstal; http://www.webelements.com/carbon/crystal_structure_pdb.html

  8. Alguns tipos de ligações http://www.chemistry.mcmaster.ca/esam/intro.html

  9. Num sólido iônico

  10. Formação de bandas

  11. Átomo de hidrogênio http://www.webelements.com/webelements/scholar/elements/hydrogen/electronic.html

  12. Molécula de hidrogênio

  13. Distribuição de elétrons e energias de OM

  14. Distribuição de carga homo-heteropolar (ligante)

  15. Distribuição de carga e distribuição de ligação (anti-ligante)

  16. Lítio 1s22s

  17. Formação de bandas de energia, número de estados Átomos de Na (1s22s22p63s) Número atômico 11 N átomos (1023 átomos/cm3) 3 átomos 2 átomos

  18. Bandas de energia do Na com N átomos Átomos de Na (1s22s22p63s) Número atômico 11 2(2l+1)elétrons 2 = fator de orientação do spin 2l+1 = número de possíveis orientações do momento angular orbital 2(2l+1)N = capacidade de cada banda para N átomos

  19. Classificação de sólidos • Metal • Semicondutor • Isolante

  20. Em termos de bandas

  21. Outra representação Schematic band diagrams for an insulator, a semiconductor, and a metal.

  22. Formação de bandas de energia a partir dos níveis de energia dos átomos constituintes

  23. Exemplo configuração banda de energia do Li

  24. Estrutura de banda de isolante e semicondutor (cristal molecular)

  25. 1s22s22p2 Bandas de energia de níveis permitidos no diamante

  26. Teoria de Bandas : duas maneiras • Duas aproximações para encontrar as energias dos elétrons associados com os átomos numa rede periódica. • 1.- Aproximação de elétron ligado (energia de átomos singulares) • Os átomos isolados são reunidos para formar um sólido. • 2.- Aproximação de elétron livre (não ligado) (E = p2/2m) • Elétrons livres modificado por um potencial periódico, i.e. rede de íons. • Ambas as aproximações resultam em níveis de energia agrupados com regiões de energia permitida e proibidas. • Bandas de energia se sobrepõem em metais. • Bandas de energia não se sobrepõem (ou possuem região proibida) para semicondutores e isolantes. Ver Charles Kittel – Introduction to Solid State Physics

  27. A wide range of energies can cause electrons to be excited from the valence band to the conduction band (absorption; figure shows electronic transitions, A, and corresponding absorption spectrum, B).

  28. Excited electrons will drop from the bottom of the conduction band into the top of the valence band with the emission of light with a very narrow band width (emission; figure shows an electronic transition, A, and corresponding emission spectrum, B)

  29. Diagrama de Banda: Isolante com Egap grande • Em T = 0, a banda de valência inferior é preenchida com elétrons e a banda de condução está vazia, conseqüentemente condutividade zero. • A energia de Fermi EF está no meio da banda proibida (2-10 eV) entre as bandas de condução e valência. • Em T > 0, os elétrons não são termicamente excitados da banda de valência à banda de condução, conseqüentemente também condutividade zero. Banda de condução (vazio) T > 0 EC Egap EF EV Banda de valência (cheio)

  30. T = 0 K T > 0 T >> 0 Diagrama de Bandas: Função de preenchimento de Fermi-Dirac • Probabilidade dos elétrons (férmions) serem encontrados em vários níveis de energia. • Em TA, E – EF = 0.05 eV  f(E) = 0.12 E –EF = 7.5 eV f(E) = 10 –129 • Efeito enorme da dependência exponencial • Em T = 0 K, elétrons tem 100% probabilidade de estar abaixo da energia deFermi EF e 0% probabilidade de estar acima de EF. Em T > 0 K, probabilidade diminui abaixo de EF e aumenta acima de EF, provocando que a função degrau passe a ser mais suave (escorregadia?). Fermi : http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/functionAndStates/functionAndStates.html

  31. Diagrama de Banda: Metal Banda de energia a ser preenchida preenchimento da banda. Função de preenchimento • Em T = 0, níveis de energia abaixo de EF são preenchidos com elétrons, entretanto todos os níveis acima de EF estão vazios. • Os elétrons são livres para se movimentar dentro dos estados vazios da banda de condução com somente um pequeno campo elétrico aplicado E, teremos alta condutividade elétrica. • Em T > 0, os elétrons tem uma probabilidade de serem termicamente excitados a partir de níveis abaixo do nível de energia de Fermi para acima. EC,V EC,V EF EF T > 0 T = 0 K

  32. Junção pn, diodos, LED’s e diodos lasers Semicondutor tipo p, tipo n Junção pn, circuitos diretos e reversos Equações de transporte LED OLED Diodo laser

  33. T > 0 Banda de condução (Parcialmente preenchida) EC EF EV Banda de valência (Parcialmente vazia) Diagrama de Bandas: Semicondutor sem Dopante • Em T = 0, A banda de valência é preenchida com elétrons e a banda de condução está vazia, resultando em condutividade zero. • Em T > 0, elétrons podem ser termicamente excitados da banda de valência para a banda de condução, resultando em banda de valência parcialmente vazia e banda de condução parcialmente preenchida.

  34. n-type Si EC ED EF Egap~ 1 eV EV Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante doador • Aumenta a condutividadede um semicondutor pela adição de uma pequena quantidade de outro material denominado dopante (ao invés de aquecer-lo) • Para o Si que é do grupo IV, adiciona-se um elemento do grupo Vpara“doar” um elétron e fazer Si tipo -n (temos mais elétron negativos • O elétron“Extra” está fracamente ligado, com nível de energia de doador ED justamente abaixo da banda de condução EC. • elétrons resultantes na banda de condução, promovem um aumento da condutividade pelo aumento da densidade de portadores livres n. • O nível de Fermi EF se desloca para EC devido a que há mais portadores.

  35. Porção da tabela periódica – semicondutores Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr.

  36. Semicondutor tipo -n

  37. Diagrama de Banda: Semicondutor com dopante aceitador • Para o Si, do grupo IV, adiciona-se um elemento do grupo III para aceitar um elétron e teremos o Si tipo -p (mais buracospositivos). • Elétrons “perdidos” são armadilhados num nível de energia aceitador EA justamente acima da banda de valência EV. • Os buracos na banda de valência aumentam fortemente a condutividade elétrica. • O nível de Fermi EF é deslocado para abaixo na direção de EV devido a que há poucos portadores. EC EF EA EV p-type Si

  38. Porção da tabela periódica – semicon. Portion of the periodic table emphasizing the formation of 1:1 AZ solids that are isoelectronic with the Group 14 solids. Complementary pairs are indicated with similar shading: for example Ge, GaAs, ZnSe, and CuBr.

  39. Semicondutor tipo -p

  40. Junção pn

  41. Junção pn : Diagrama de Banda regiões pn se “tocam” & portadores livres se movimentam • Em equilíbrio, os níveis de Fermi (ou densidade de portadores de carga) devem se igualar. • Devido à difusão, os elétrons se movimentam do lado n para p e os buracos do lado p para n. • Zona de Depleção, ela ocorre na junção onde permanecem íons parados. • Isto resulta numcampo elétrico (103 a 105 V/cm), que se opõe a uma maior difusão. Tipo-n elétrons EC EF EF EV buracos Tipo -p regiões pn em equilíbrio – – EC – – + – + – – + + EF – – + – + + – – Junção pn: http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation2/pnformation2.html http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation3/index.html + + + + + EV Zona de Depleção

  42. Exemplo de mudança da banda de energia pela composição: AlxGa1-xAs • http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/AlGaAs/ternary.html

  43. Fabricação de diodo pn • http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html • Abordagem a partir do substrato até o produto final mostrando o processo de litografia

  44. Diodo PIN Similar a junção PN mas com uma camada intrínseca inserida http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin/index.html

  45. Junção pn : Características I-V • Relação Corrente-Voltagem (I-V) • Polarização direta: a corrente aumenta exponencialmente. • Polarização Reversa: corrente de fuga pequeno ~Io. • Junção pn retificadora somente deixa passar corrente numa direção. Polariz. direta Polarização reversa http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation_B/index.html

  46. Polarização Direta Equilíbrio Polarização Reversa p-type n-type tipo -n tipo -p tipo -n tipo -p –V +V e– e– e– Portadores majoritários Portadores minoritários Junção pn : Diagrama de Bandas sobre polarização • Polarização Direta: voltagem negativa no lado n promove a difusão de elétrons através do decréscimo do potencial da junção na região de depleção maior corrente. • Polarização Reversa: voltagem positiva no lado n inibe a difusão de elétrons através do incremento do potencial da junção na região de depleção menor corrente.

  47. Semicondutor: Densidade de Dopante via Efeito Hall • Pq útil? Determina tipo de portador de carga (elétron vs. buraco) e densidade de portadores n para um semicondutor. • Como? Semicondutor num campo externo B, corrente através de um eixo, e medida da voltagem de Hall induzida VH ao longo do eixo perpendicular. • Derivado da equação de Lorentz FE (qE) = FB (qvB). Densidade de portadoresn = _______(corrente I) (campo magnético B)__________ (carga do portador q) (espessura t)(Voltagem Hall VH) elétron buraco carga + carga -

  48. Dispositivos pn : LED e Célula Solar • Diodo emissor de luz = Light-emitting diode (LED) • Converte sinal elétrico em luz: entra elétron sai fóton • Fonte de luz com vida longa, baixa potência, desenho compacto. • Aplicações: luzes indicadores, mostradores grandes. • Célula Solar • Converte entrada de luz em sinal elétrico de saida: entra fóton sai elétron (os elétrons gerados são barridos pelo campo E da junção pn). • Fonte de energia renovável. LED Celula Solar

  49. Curva característica de um LED

  50. Diversos LED´s pela composição e cor • aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - red and infrared • aluminium gallium phosphide (AlGaP) - green • aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - high-brightness orange-red, orange, yellow, and green • gallium arsenide phosphide (GaAsP) - red, orange-red, orange, and yellow • gallium phosphide (GaP) - red, yellow and green • gallium nitride (GaN) - green, pure green (or emerald green), and blue • indium gallium nitride (InGaN) - near ultraviolet, bluish-green and blue • silicon carbide (SiC) as substrate - blue • silicon (Si) as substrate - blue (under development) • sapphire (Al2O3) as substrate - blue • zinc selenide (ZnSe) - blue • diamond (C) - ultraviolet • aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - near to far ultraviolet

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