FÍSICA DOS SEMICONDUTORES
Os materiais semicondutores constituem hoje uma importante classe de dispositivos considerados como peça chave na revolução tecnológica que tem influenciado nossas vidas.
Estes materiais podem apresentar caracteristicas tanto de condutores como de isolantes, dependendo de sua estrutura química.
Até agora, destacamos algumas vezes que os elementos Germânio e Silício são bons exemplos de semicondutores. Você saberia dizer por que?
Pois ambos elementos apresentam quatro elétrons na camada mais externa, ou seja, na camada de valência. Sabe-se que, para se tornar estável, um elemento precisa ter 8 elétrons em sua camada de valência, no entanto como os elementos citados tem quatro elétrons, precisam agrupar-se entre si através de ligações covalentes (que basicamente consistem no compartilhamento de elétrons entre dois átomos) com outros quatro átomos, formando uma estrutura cristalina (Figura 6 e 7). Resumindo, os semicondutores basicamente são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada.
Perceba, na figura abaixo, que se você acompanhar um dos átomos, ele estará ligado a mais quatro, em uma distribuição espacial, formando o que chamamos de cristal, que é um sólido no qual os átomos estão organizados num padrão tridimensional bem definido e que se repete no espaço.
Figura 6: Estrutura ordenada dos átomos cuja camada de valência apresenta 4 elétrons. Fonte: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Diamond_Cubic-F_lattice_animation.gif>.
Figura 7: Estrutura cristalina de átomos de silício, agrupados através de ligação covalente. A imagem consiste em uma representação na qual o tamanho do núcleo, dos elétrons e a proporção entre eles é meramente ilustrativa e não apresenta similaridade com o modelo atômico de Rutherford - Bohr.
Teoricamente, a estrutura ilustrada acima, só seria possível à uma temperatura muito baixa, zero kelvin. No entanto, a menor temperatura obtida até hoje é da ordem de nanokelvin (nK ou 10^-9 K). Mas mesmo nesse regime pode-se perceber que os semicondutores se comportam como isolantes.
O que acontece é que nessa temperatura todas as ligações covalentes estão completas, uma vez que os elétrons estão todos ligados à seus respectivos núcleos e não são elétrons livres. Neste caso, existem quatro ligações covalentes para cada átomo, que proporcionam a estabilidade química e molecular, ou seja, a camada de valência está completa e o material comporta-se como um isolante.
Portanto, vale destacar que a temperatura é um fator importante que define o comportamento de um material semicondutor, uma vez que qualquer alteração pode fornecer energia para desprender elétrons do átomo, tornando o material capaz de conduzir corrente elétrica.
SEMICONDUTOR INTRÍNSECO
Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro, isto é, com todas as ligações covalentes completas, não apresentando elétrons livres e por isso, com pouca utilidade, uma vez que não conduz corrente elétrica.
Como citamos anteriormente, à temperaturas próximas de zero kelvin, o material semicondutor comporta-se como isolante, no entanto à temperatura ambiente comporta-se como condutor pois a energia fornecida em forma de calor permite que alguns elétrons de valência deixem a ligação covalente, ocasionando uma lacuna em seu lugar (figura 8) e tornam-se elétrons livres (responsáveis pela causa da corrente elétrica).
Figura 8: Formação de um elétron livre e de uma lacuna. A imagem consiste em uma representação na qual o tamanho do núcleo, dos elétrons e a proporção entre eles é meramente ilustrativa e não apresenta similaridade com o modelo atômico de Rutherford - Bohr.
Fonte <http://www.geocities.ws/afonsobejr/semicondutores.html>.
Um semicondutor extrínseco é aquele obtido pela adição de elementos chamados de impurezas, cuja principal finalidade é alterar algumas propriedades elétricas, principalmente a resistividade em relação ao fluxo de elétrons, através da formação de pares elétron livre-lacuna.
Há duas maneiras básicas de provocar o aparecimento desses pares no interior de um cristal semicondutor: através do calor ou incidindo um feixe de luz sobre o material.
Na prática, para que o material permita a passagem de corrente elétrica, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de elétrons livres seja bem maior que o número de lacunas, ou vice versa. Isto é conseguido a partir de um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas. Esse processo é chamado de dopagem.
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.