Materiais semicondutores

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA Faculdade de Engenharia Elétrica

Ciência e Tecnologia dos Materiais

CAPÍTULO IV MATERIAIS SEMICONDUTORES
Um dos triunfos das teorias cinética e atômica é sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades físicas da matéria, explicando, por exemplo, por que alguns materiais são bons condutores de calor, enquanto outros não o são. Existe uma classeintermediária de substâncias, chamadas semicondutores, que possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Desta forma, são melhores condutores do que os isolantes de eletricidade, mas não tão bons condutores como o cobre. Tais materiais se mostram extremamente úteis para a eletrônica. Em comparação com os metais e com os isolantes, as propriedades elétricas dossemicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas. Um semicondutor puro como o elemento silício apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; porém se pequenas quantidades de impurezas são incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente. O material pode passar, por exemplo, a conduzireletricidade em um único sentido, da forma como age um diodo. A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido.

Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor

Para uma correta compreensão do funcionamento destes materiais, faz-se necessário recordar alguns conceitos jávistos.

4.1 Níveis de Energia
A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos. Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron. Conformea Teoria Quântica os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isso não é perceptível porque os valores são muito pequenos, mas, os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos. Assim, a energia total que o elétron pode ter é

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definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete podendo ser representados pelos números 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 ou pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Para os 113 elementos químicos conhecidos, segundo o princípio de exclusão de Pauli, o númeromáximo de elétrons em cada nível é 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4, respectivamente, conforme representado na figura seguinte.

2n2
onde n é o número do nível. Assim, o nível 1 poderá possuir no máximo 2 elétrons, o nível 2 poderá ter no máximo 8 e assim sucessivamente.

É regra geral na natureza a estabilização na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para omaior e um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo. Em cada camada ou nível de energia, os elétrons se distribuem em subcamadas ou subníveis, representados pelas letras s, p, d, f, em ordem crescente de energia. O número máximo de elétrons de cada subnível também foi determinado experimentalmente: Subnível Número máximo de elétrons S 2 p 6 d 10 f 14

O número de subníveis queconstituem cada nível de energia depende do número máximo de elétrons que cabem em cada nível. Assim, como no primeiro nível cabem no máximo 2 elétrons este nível apresenta apenas um subnível s, no qual cabem os dois elétrons. O subnível s do primeiro nível de energia é representado por 1s. Como no segundo nível cabem no máximo 8 elétrons, o segundo nível é constituído de um subnível s, no qual...
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