Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

elétrons de valência têm liberdade de movimento e formam um "gás eletrônico", que é
uniformemente distribuídos através de toda a rede de núcleos iônicos. Mesmo embora estes elétrons
não estejam localmente ligados a qualquer particular átomo, êles, não obstante, devem experimentar
alguma excitação para se tornarem elétrons condutores que são verdadeiramente livres. Assim,
ambora apenas uma fração seja excitada, esta ainda dá origem a um relativamente grande número
de elétrons livres e, consequentemente, uma alta condutividade.
Isolantes e Semicondutores
Para isolantes e semicondutores, estados vazios adjacentes ao topo da banda de valência
preenchida não são disponíveis. Para ficarem livres, portanto, elétrons devem ser promovidos
através lacuna de banda de energia e para dentro dos estados vazios na base da banda de
condução. Isto é possível apenas mediante o suprimento a um elétron da diferença de energia entre
estes dois estados, que é aproximadamente igual à lacuna de banda de energia E g . Este processo
de excitação é demonstrado na Figura 19.6. Para muitos materiais esta lacuna de banda é de vários
elétron-volts de largura. Muitas vezes a energia de excitação é de uma fonte não elétrica tal como
calor ou luz, usualmente a primeira.
Figura 19.6 - Para um isolante ou semicondutor, a ocupância dos estados eletr6onicos (a) antes e
(b) depois de uma excitação eletrônica a partir da banda de valência para a banda de condução, na
qual tanto um elétron livre quanto um buraco são gerados.
O número de elétrons excitados termicamente (por energia calorífica) para dentro da
banda de condução depende da largura da lacuna de banda de energia bem como da temperatura.
Numa dada temperatura, quanto maior for E g , tanto menor é a probabilidade de que um elétron de
valência seja promovido a um estado de energia dentro da banda de condução; isto resulta em
menor número de elétrons de condução. Em outras palavras, quanto maior for a lacuna de banda
de energia, tanto menor será a condutividade elétrica numa dada temperatura. Assim, a distinção
entre semicondutores e isolantes reside na largura da lacunda de banda; para semicondutores ela é
estreita, enquanto que para materiais isolantes ela é relativamente larga.
A elevação da temperatura tanto de um semicondutor quanto de um isolante resulta num
aumento da energia térmica que é disponível para a excitação de elétron. Assim, mais elétrons são
promovidos para dentro da banda de condução, o que dá origem a aumentada condutividade.
A condutividade de isolantes e semicondutores podem também ser vista do ponto de vista
de modelos de ligação atômica discutida na Seção 2.6. Para materiais eletricamente isolantes,
ligação interatômica é iônica ou fortemente covalente. Assim, os elétrons de valência se encontram
estreitamente ligados ou compartilhados com os átomos individuais. Em outras palavras, estes
elétrons se encontram altamente localizados e não se encontram em nenhum sentido livres para vagar
através de todo o cristal. A ligação em semicondutores é covalente (ou predominantemente
covalente) e relativamente fraca, o que significa que os elétrons de valência não estão tão fortemente
ligados aos átomos. Consequentemente, estes elétrons são mais facilmente removidos por excitação
térmica do que são os elétrons dos isolantes.