Propriedades electrónicas
Os materiais semicondutores aqui tratados são monocristalinos – ou seja, os átomos são dispostos de forma periódica tridimensional. A figura 2A mostra uma representação bidimensional simplificada de um cristal de silício intrínseco que é muito puro e contém uma quantidade insignificantemente pequena de impurezas. Cada átomo de silício no cristal é rodeado por quatro dos seus vizinhos mais próximos. Cada átomo tem quatro elétrons em sua órbita externa e compartilha esses elétrons com seus quatro vizinhos. Cada par de elétrons compartilhado constitui uma ligação covalente. A força de atração dos elétrons pelos dois núcleos mantém os dois átomos juntos.
>Encyclopædia Britannica, Inc.
>
A baixas temperaturas os elétrons são ligados em suas respectivas posições no cristal; conseqüentemente, eles não estão disponíveis para condução elétrica. A temperaturas mais elevadas a vibração térmica pode quebrar algumas das ligações covalentes. A quebra de uma ligação produz um electrão livre que pode participar na condução de corrente. Quando um electrão se afasta de uma ligação covalente, existe uma deficiência de electrões nessa ligação. Esta deficiência pode ser preenchida por um dos elétrons vizinhos, o que resulta em uma mudança do local da deficiência de um local para outro. Esta deficiência pode assim ser considerada como uma partícula semelhante a um electrão. Esta partícula fictícia, apelidada de furo, transporta uma carga positiva e move-se, sob a influência de um campo eléctrico aplicado, numa direcção oposta à de um electrão.
Para um átomo isolado, os electrões do átomo só podem ter níveis de energia discretos. Quando um grande número de átomos é reunido para formar um cristal, a interação entre os átomos faz com que os níveis discretos de energia se espalhem em faixas de energia. Quando não há vibração térmica (isto é, a baixa temperatura), os elétrons de um semicondutor preenchem completamente um número de faixas de energia, deixando o resto das faixas de energia vazias. A banda de maior enchimento é chamada de banda de valência. A banda mais alta seguinte é a banda de condução, que é separada da banda de valência por um intervalo de energia. Este intervalo de energia, também chamado de “bandgap”, é uma região que designa as energias que os elétrons do semicondutor não podem possuir. A maioria dos semicondutores importantes tem “bandgaps” na faixa de 0,25 a 2,5 eV. O bandgap de silício, por exemplo, é 1,12 eV e o de arsenieto de gálio é 1,42 eV.
Como discutido acima, a temperaturas finitas as vibrações térmicas quebrarão algumas ligações. Quando uma ligação é quebrada, resulta um electrão livre, juntamente com um buraco livre, ou seja, o electrão possui energia térmica suficiente para atravessar a banda de condução, deixando para trás um buraco na banda de valência. Quando um campo eléctrico é aplicado ao semicondutor, tanto os electrões da banda de condução como os furos da banda de valência ganham energia cinética e conduzem electricidade. A condutividade eléctrica de um material depende do número de portadores de carga (ou seja, electrões livres e furos livres) por unidade de volume e da velocidade a que esses portadores se movem sob a influência de um campo eléctrico. Em um semicondutor intrínseco existe um número igual de elétrons livres e furos livres. Os elétrons e furos, no entanto, têm mobilidades diferentes – ou seja, movem-se com velocidades diferentes em um campo elétrico. Por exemplo, para o silício intrínseco à temperatura ambiente, a mobilidade dos electrões é de 1.500 centímetros quadrados por segundo (cm2/V-s) – ou seja, um electrão mover-se-á a uma velocidade de 1.500 centímetros por segundo sob um campo eléctrico de um volts por centímetro – enquanto a mobilidade dos furos é de 500 cm2/V-s. A mobilidade de um determinado semicondutor geralmente diminui com o aumento da temperatura ou com o aumento da concentração de impurezas.
Condução eléctrica em semicondutores intrínsecos é bastante pobre à temperatura ambiente. Para produzir maior condução, pode-se introduzir intencionalmente impurezas (normalmente a uma concentração de uma parte por milhão de átomos hospedeiros). Este é o chamado processo de dopagem. Por exemplo, quando um átomo de silício é substituído por um átomo com cinco elétrons externos, como arsênico (Figura 2C), quatro dos elétrons formam ligações covalentes com os quatro átomos de silício vizinhos. O quinto elétron torna-se um elétron de condução que é “doado” para a banda de condução. O silício torna-se um semi-condutor do tipo n devido à adição do elétron. O átomo de arsénico é o doador. Similarmente, a Figura 2C mostra que, quando um átomo com três elétrons externos como o boro é substituído por um átomo de silício, um elétron adicional é “aceito” para formar quatro ligações covalentes ao redor do átomo de boro, e um furo com carga positiva é criado na banda de valência. Este é um semicondutor tipo p, com o boro constituindo um aceitador.
