Teoria dos Semicondutores
Os semicondutores são materiais inorgânicos ou orgânicos que têm a capacidade de controlar sua condução de acordo com a estrutura química, temperatura, iluminação e a presença de dopantes. O termo “semicondutor” deriva do fato de esses materiais apresentarem uma condutividade elétrica intermediária entre um metal, como cobre ou ouro, e um isolante, como o vidro. Eles possuem uma lacuna de energia inferior a 4eV (cerca de 1eV).
O Gap de Energia nos Semicondutores
Na física do estado sólido, essa lacuna de energia, ou gap de banda, é uma faixa de energia situada entre a banda de valência e a banda de condução onde os estados eletrônicos são proibidos. Diferentemente dos condutores, os elétrons dos semicondutores precisam adquirir energia (por exemplo, através de radiação ionizante) para atravessar o gap de banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pelo gap de energia entre as bandas de valência e de condução.
Estrutura Eletrônica dos Semicondutores
A teoria dos semicondutores baseia-se no comportamento dos elétrons e buracos em uma estrutura de rede cristalina. Essa teoria é conhecida como estrutura de banda eletrônica. A estrutura de banda eletrônica 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 lacunas de banda ou bandas proibidas).
Os semicondutores possuem 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 apenas parcialmente preenchida com elétrons. O gap de energia entre as bandas de valência e de condução é chamado de gap de banda.
Comportamento dos Semicondutores em Diferentes Temperaturas
A 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, em 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. O comportamento desses portadores de carga é influenciado por fatores como a estrutura cristalina, a concentração e tipo de dopagem, a temperatura e a presença de impurezas ou defeitos na rede cristalina.
Semicondutores Intrínsecos e Extrínsecos
Os 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. Os semicondutores extrínsecos, 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.
