fundamentos de física iii fundamentos de física iii - Departamento de ...

No caso dos condutores a banda ocupada com maior energia tem níveis não
ocupados por elétrons. Esta banda pode estar separada da próxima banda vazia por
um intervalo de energias denominado banda proibida ou pode se superpor a esta.
Quando se aplica um campo, os elétrons podem ganhar pequenas quantidades de
energia desse campo, mudando para níveis de energia ligeiramente maiores, na
mesma banda, no caso representado na figura 21.1a, ou mesmo para níveis de
outra banda, no caso representado na figura 21.1c, de forma a adquirirem a
velocidade de arrasto responsável pela corrente elétrica no material.
entre as bandas é muito menor que no caso dos dielétricos. Isto faz com que um
número muito maior de elétrons possam ser promovidos termicamente para a
banda de condução. O resultado é uma resistividade muito menor que a dos
dielétricos, mas bem maior que a dos condutores. O aumento de temperatura
promove mais elétrons para a banda de condução sendo responsável por uma
queda na resistividade, ao contrário do que ocorre com os condutores, em que o
aumento da temperatura aumenta a agitação da rede aumentando a resistividade
do material.
21.1.2 ADIÇÃO DE IMPUREZAS EM SEMICONDUTORES
A resistividade de isolantes e semicondutores pode ser bastante alterada
pela adição, por um processo denominado dopagem, de pequenas quantidades de
“impurezas”, cujos átomos têm um elétron a mais ou a menos que os da matriz.
Isto modifica ligeiramente a estrutura de bandas do cristal original, alterando
drasticamente o número de portadores de carga disponíveis.
Figura 21.1: Estrutura de bandas: (a) condutor, (b) isolante, (c) condutor e (d)
semicondutor.
No caso dos isolantes, ou dielétricos, cuja estrutura de bandas está
representada na figura 21.1b, todos os níveis da banda superior estão ocupados e
há uma distância grande para a próxima banda, que está virtualmente desocupada.
Quando um campo elétrico é aplicado, os elétrons não têm níveis de energia
próximos, disponíveis, para que possam ganhar energia do campo, e este não pode
dar energia suficiente para que os elétrons passem para outra banda. Este fato
seria responsável por uma resistividade infinita. No entanto, devido à pequena
energia térmica, da ordem de 0,02 eV, uns poucos elétrons no sólido podem ser
promovidos da chamada banda de valência (a última camada totalmente
ocupada) para a banda de condução (a próxima camada desocupada). Isto faz
com que, mesmo um isolante, tenha ainda alguns poucos portadores de carga que
podem absorver pequenas quantidades de energia, contribuindo para uma pequena
condutividade. Entretanto, enquanto nos metais podemos ter um portador de carga
por átomo, nos isolantes esse número é muitas ordens de grandeza menor.
Se os átomos das impurezas têm um elétron a mais, os níveis que podem
ser ocupados por este ficam acima da banda de valência dos átomos da matriz e
bastante próximos de sua banda de condução, podendo facilmente ser promovidos
para esta. Isto pode ser visto esquematicamente na figura 21.2a. Essas impurezas
são denominadas doadoras, pois cedem elétrons que vão participar da condução
elétrica no cristal. Estes semicondutores são do tipo n, por serem os
portadores de carga negativos.
Por outro lado, se os átomos das impurezas têm um elétron a menos que os
da matriz haverá níveis de energia vazios logo acima da banda de valência, como
mostra a figura 21.2b. Estes átomos podem receber elétrons de átomos da
matriz, deixando um “buraco” na banda de condução da matriz, que é a falta
desse elétron. Um elétron de outro átomo da matriz pode ocupar o lugar desse
buraco, que por sua vez se move para o átomo que cedeu o elétron. Dessa forma
um buraco se desloca como se fosse uma carga positiva caminhando no
sentido do campo aplicado. Estes semicondutores são, portanto, do tipo p.
Nos semicondutores, cuja estrutura de bandas está mostrada na figura
21.1d, a banda de valência está cheia, como nos isolantes, entretanto, a separação
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