O que é Semicondutividade - Teoria das Bandas

A semicondutividade é determinada pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução. Para entender o que é semicondutor, precisamos definir esses termos. Dosimetria de Radiação

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução. Para entender o que é semicondutor, precisamos definir esses termos.

Propriedades dos semicondutores

Para entender a diferença entre metais , semicondutores e isoladores elétricos , precisamos definir os seguintes termos da física do estado sólido:

Valence Band . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
Banda de condução . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Em isoladores elétricos e semicondutores, a banda de condução é a faixa mais baixa de estados eletrônicos vazios . Em um gráfico da estrutura da banda eletrônica de um material, a banda de valência está localizada abaixo do nível de Fermi, enquanto a banda de condução está localizada acima dela. Nos semicondutores, os elétrons podem atingir a banda de condução quando são excitados , por exemplo, por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o _intervalo E) Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
Band Gap . Na física do estado sólido, o gap de energia ou o gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados dos elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.
Nível Fermi . O termo “nível de Fermi” vem das estatísticas de Fermi-Dirac , que descrevem uma distribuição de partículas sobre os estados de energia em sistemas que consistem em férmions (elétrons) que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Como eles não podem existir em estados de energia idênticos, o nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta . O nível Fermi é a superfície do mar Fermino zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Nos metais, o nível de Fermi está na banda de condução hipotética, dando origem a elétrons de condução livre. Nos semicondutores, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.
Par de orifício de elétron . No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, os portadores de carga livre (pares elétron-buraco) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Os furos podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

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