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INTRODUÇÃO AOS SEMICONDUTORES Extrato do capítulo 2 de (Malvino, 1986).

2.1. TEORIA DO SEMICONDUTOR

ESTRUTURA ATÔMICA • Modelo de Bohr para o átomo (Figura 2.1 (a)) o Núcleo rodeado por elétrons em órbita. o Núcleo com carga positiva associada aos prótons. o O elétron descreve uma órbita estável com exatamente a velocidade certa para que a força centrífuga equilibre a atração nuclear.

• Átomo isolado de Silício (Figura 2.1 (b)) o 14 prótons e 14 elétrons. o Órbitas estáveis

Primeira: 2 elétrons. Segunda: 8 elétrons. Terceira (órbita externa ou órbita de valência): 4 elétrons . o Eletricamente neutro. o Átomo tetravalente, isto é, 4 elétrons na órbita de valência. o Núcleo e elétrons internos à órbita de valência são denominados âmago do átomo.

[Figura 2.1 (a) Modelo de Bohr (b) Átomo de Silício]

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NÍVEIS DE ENERGIA • Somente certas dimensões de órbita são permitidas (Figura 2.2 (a)).

• Quanto maior a órbita do elétron, mais alto é o seu nível de energia potencial em relação ao núcleo (Figura 2.2 (b)).

• Se o átomo for bombardeado por energia externa (calor, luz ou outra radiação), um dos elétrons pode ser elevado a um nível de energia mais alto (órbita maior).

• O átomo está então no estado de excitação.

• Este estado não dura muito porque o elétron energizado logo volta ao seu nível de energia original, devolvendo a energia adquirida na forma de calor, luz ou outra radiação.

[Figura 2.2 (a) Detalhamento das órbitas (b) Níveis de energia]

CRISTAIS • Um átomo de silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência, porém para ser quimicamente estável, precisa de oito elétrons.

• Combina-se então com outros átomos de forma a completar os outros elétrons na sua órbita de valência.

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• Quando os átomos de silício se combinam entre si para formar um sólido, eles se arranjam numa configuração ordenada denominada cristal.

• As forças que mantém os átomos unidos são denominadas ligações covalentes (Figura 2.3 (a)).

• No cristal, o átomo de silício posiciona-se entre outros quatro átomos de silício, cada vizinho a compartilhar um elétron com o átomo central.

• O átomo central passa a possuir então oito elétrons na órbita de valência.

• Os oito elétrons não pertencem ao átomo central, são compartilhados pelos quatro átomos em volta.

[Figura 2.3 (a) Ligações covalentes (b) Lacuna]

LACUNAS • Quando a energia externa eleva o elétron de valência a um nível energético mais alto (órbita maior), o elétron que sai deixa uma vacância na órbita mais externa (Figura 2.3 (b)).

• Esta vacância é denominada lacuna.

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BANDAS DE ENERGIA • Quando os átomos de silício se combinam para formar um cristal, a órbita de um elétron sofre a influência das cargas dos átomos adjacentes.

• Como cada elétron tem uma posição diferente dentro do cristal, nenhum vê exatamente a mesma configuração de cargas vizinhas.

• Assim a órbita de cada elétron é modificada.

• Os níveis de energia associados às órbitas formam nuvens ou bandas (Figura 2.4).

[Figura 2.4 – Bandas de Energia]

2.2. CONDUÇÃO EM CRISTAIS • A condução num fio de cobre:

o Cada átomo de cobre possui um elétron livre. o Como o elétron percorre uma órbita extremamente grande (alto nível de energia), o elétron mal pode sentir a atração do núcleo. o Num pedaço ou fio de cobre, os elétrons livres estão contidos numa banda de energia denominada banda de condução.

5 de 19 o Esses elétrons livres são capazes de produzir correntes altas.

• A condução num cristal de silício: o A Figura 2.5 (a) mostra uma barra de silício com extremidades metálicas e uma tensão externa estabelece um campo elétrico entre as extremidades do cristal.

[Figura 2.5 (a) Circuito (b) Bandas de energia à temperatura de zero absoluto.]

ZERO ABSOLUTO • No zero absoluto, todos os elétrons de valência estão fortemente presos aos átomos de silício, a participar das ligações covalentes entre os átomos.

• A banda de condução está vazia e não há corrente no silício (Figura 2.5 (b)).

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 para a esquerda e estabelecem uma corrente (Figura 2.6 (a)).

• Cada vez que um elétron é bombeado para a banda de condução, cria-se uma lacuna na banda de valência.

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• A banda de valência já não se encontra saturada ou preenchida, cada lacuna na banda de valência representa uma órbita de rotação disponível.

• 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 é pequena demais para ser utilizável.

• À essa temperatura um pedaço de silício não é bom isolante nem bom condutor, por esta razão é chamado semicondutor.

[Figura 2.6 (a) Fluxo de elétrons (b) Faixas de energia à temperatura ambiente]

SILÍCIO VERSUS GERMÂNIO • O germânio, um outro elemento tetravalente, foi amplamente usado no início do estudo dos semicondutores.

• À temperatura ambiente, um cristal de silício não possui praticamente elétrons livres, quando comparado a um cristal de germânio sob as mesmas condições.

CORRENTE DE LACUNAS • Um semicondutor oferece dois trajetos para corrente, um associado a elétrons na banda de condução e outro associado a elétrons na banda de valência.

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