E7 Física de Semicondutores

Tópico

Os semicondutores conduzem eletricidade em um nível intermediário entre o de um bom condutor e o de um isolante, graças a uma banda proibida relativamente estreita entre os elétrons ligados aos átomos e os elétrons livres que podem se mover livremente por todo o material. No zero absoluto, um semicondutor puro se comporta como um isolante perfeito; à temperatura ambiente, a agitação térmica é suficiente para excitar alguns elétrons para a banda onde podem conduzir, gerando simultaneamente um elétron livre e uma lacuna — a ausência desse elétron, que se comporta como uma carga positiva móvel.

Quanto mais elétrons livres são gerados termicamente, maior se torna essa concentração intrínseca de portadores de carga, e isso ocorre de uma maneira altamente sensível tanto à temperatura quanto à largura dessa banda proibida: um material com uma banda proibida mais larga tem muito menos portadores livres à mesma temperatura do que um com uma banda proibida mais estreita.

A dopagem é a técnica que torna os semicondutores úteis: a introdução deliberada de átomos de impureza que contribuem com elétrons livres adicionais — dopagem do tipo N — ou que aceitam elétrons, deixando lacunas adicionais — dopagem do tipo P — permitindo o controle preciso da condutividade do material. Em um semicondutor, a corrente flui por meio de dois mecanismos que podem coexistir: a corrente de deriva, impulsionada por um campo elétrico externo, e a corrente de difusão, impulsionada simplesmente pela tendência dos portadores de carga de se moverem de áreas de maior concentração para áreas de menor concentração, assim como o perfume se difunde em um ambiente. A mesma física estatística subjacente governa tanto a facilidade com que os portadores de carga se movem sob um campo — sua mobilidade — quanto a facilidade com que se difundem devido às diferenças de concentração; portanto, esses dois fenômenos, embora aparentemente distintos, não são independentes um do outro.

É por isso que este módulo, que começa com uma banda proibida que separa elétrons ligados de elétrons livres, termina mostrando que dopar um semicondutor não cria um novo material, mas inclina deliberadamente, em uma direção ou outra, esse mesmo equilíbrio entre elétrons e lacunas que a própria temperatura já estabelece espontaneamente.

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