Semicondutividade e Semicondutores
A semicondutividade é a capacidade de certos materiais conduzirem eletricidade, mas apenas sob condições específicas. Semicondutores possuem condutividade elétrica intermediária entre condutores (materiais que permitem o fácil fluxo de corrente elétrica) e isolantes (materiais que não permitem o fluxo fácil de corrente elétrica).
Entendendo a Estrutura dos Semicondutores
Nos semicondutores, a banda de valência (banda mais alta de elétrons completamente preenchida) é separada da banda de condução (banda mais baixa de elétrons parcialmente preenchida) por um gap energético. Isso significa que uma quantidade específica de energia é necessária para mover um elétron da banda de valência para a banda de condução, sendo esta quantidade de energia relacionada à largura do gap energético.
A temperatura ambiente, alguns elétrons na banda de valência de semicondutores podem adquirir energia térmica suficiente para saltar o gap energético e se mover para a banda de condução, criando elétrons livres que podem se mover livremente pelo material. No entanto, o número de elétrons livres é relativamente baixo comparado aos condutores, o que significa que os semicondutores têm menor condutividade elétrica.
Dopagem e Condutividade em Semicondutores
A condutividade elétrica de semicondutores pode ser aumentada pela dopagem, que envolve a adição intencional de impurezas ao material semicondutor para alterar suas propriedades eletrônicas. A dopagem pode criar elétrons em excesso (dopagem tipo-n) ou buracos (dopagem tipo-p) no semicondutor, melhorando sua condutividade e tornando-o útil em diversas aplicações eletrônicas.
Semicondutores são amplamente usados em dispositivos eletrônicos como transistores, diodos, células solares e circuitos integrados. Eles também têm aplicações em optoeletrônica, computação quântica e outras tecnologias avançadas.
Características dos Semicondutores
- Condutividade variável: Semicondutores podem ser feitos para conduzir eletricidade sob certas condições, como quando expostos à luz ou calor. Eles também podem atuar como isolantes sob diferentes condições.
- Gap energético: Semicondutores têm um gap energético, que é a energia necessária para mover um elétron da banda de valência para a banda de condução. O tamanho do gap energético determina a energia necessária para o semicondutor tornar-se um condutor.
- Dopagem: Semicondutores podem ser dopados com impurezas para modificar suas propriedades elétricas. A dopagem introduz elétrons adicionais ou “buracos” no material, o que pode aumentar ou diminuir sua condutividade.
- Dependência da temperatura: A condutividade elétrica dos semicondutores é altamente dependente da temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a condutividade do material geralmente aumenta também.
- Sensibilidade à luz: Alguns semicondutores são sensíveis à luz e podem ser usados em aplicações como células fotovoltaicas, sensores de luz e LEDs.
- Portadores de carga minoritários: Em semicondutores, elétrons e buracos são conhecidos como portadores de carga minoritários. Esses portadores podem ser manipulados e controlados para produzir propriedades elétricas desejadas no material.
Semicondutores Intrínsecos e Extrínsecos
Semicondutores podem ser classificados em dois tipos básicos com base em suas propriedades eletrônicas:
- Semicondutores Intrínsecos: São semicondutores puros, compostos por um único elemento (por exemplo, Silício, Germânio) e não têm dopagem intencional com impurezas. Eles conduzem eletricidade quando aquecidos, e alguns elétrons ganham energia suficiente para se libertarem de suas ligações e se tornarem elétrons livres na banda de condução.
- Semicondutores Extrínsecos: São semicondutores impuros, intencionalmente dopados com impurezas para mudar suas propriedades eletrônicas. Podem ser ainda classificados em dois tipos:
- Semicondutores tipo-p: Nos semicondutores tipo-p, átomos de impurezas como boro são introduzidos no material semicondutor. Estas impurezas têm menos elétrons de valência do que o material do semicondutor, o que resulta na criação de “buracos” (ausência de elétrons) na banda de valência. Estes buracos podem conduzir corrente como portadores de carga positiva, dando ao material sua designação tipo-p.
- Semicondutores tipo-n: Nos semicondutores tipo-n, átomos de impurezas como fósforo são introduzidos no material semicondutor. Estas impurezas têm mais elétrons de valência do que o material do semicondutor, o que cria elétrons em excesso na banda de condução. Estes elétrons em excesso podem conduzir corrente como portadores de carga negativa, dando ao material sua designação tipo-n.
Teoria da Semicondutividade
A teoria da semicondutividade baseia-se no comportamento de elétrons e buracos em uma estrutura de rede cristalina. Esta teoria é conhecida como estrutura de bandas eletrônicas. A estrutura de bandas eletrônicas de um sólido descreve o intervalo de níveis de energia que os elétrons podem ter dentro dele, bem como os intervalos de energia que eles não podem ter (chamados de gaps energéticos ou bandas proibidas).
Semicondutores têm uma banda de valência, que é a banda de energia mais alta completamente preenchida com elétrons, e uma banda de condução, que é a próxima banda de energia mais alta que está vazia ou parcialmente preenchida com elétrons. O gap energético entre as bandas de valência e de condução é chamado de gap energético.
À temperatura absoluta zero, todos os elétrons em um semicondutor estão na banda de valência e não há elétrons livres na banda de condução. No entanto, à temperatura ambiente ou mais alta, alguns elétrons na banda de valência podem ser excitados por energia térmica ou por uma fonte de energia externa, como luz ou um campo elétrico, e saltar para a banda de condução, deixando para trás um buraco na banda de valência. O movimento desses elétrons livres e buracos na estrutura de rede cristalina do semicondutor pode ser descrito pelas leis da mecânica quântica.
Semicondutores intrínsecos têm um número perfeitamente equilibrado de elétrons livres e buracos, e sua condutividade é determinada pela concentração intrínseca de elétrons livres e buracos, que aumenta exponencialmente com a temperatura. Semicondutores extrínsecos, que são dopados com impurezas, têm uma concentração muito maior de elétrons livres ou buracos, o que aumenta drasticamente sua condutividade e os torna úteis para dispositivos eletrônicos.
