Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

A condutibilidade de materiais semicondutores depende do número de elétrons livres
na banda de condução e também do número de buracos na banda de valência, de acordo com
a Equação 19.13. Energia térmica associada com vibrações da rede podem promover
excitações eletrônicas nas quais elétrons livres e/ou buracos são criados, como descrito na
Seção 19.6. Adicionais portadores de carga podem ser gerados como uma consequência de
transições eletrônicas induzidas por fóton nas quais luz é absorvida; o acompanhante aumento
em condutividade é denominado fotocondutividade. Assim, quando uma amostra de um
material fotocondutivo é iluminado, a condutividade cresce.
Esse fenômeno é utilizado em medidores de luz fotográficos. Uma corrente
fotoconduzida é medida e sua magnitude é uma função direta da intensidade da radiação
luminosa incidente, ou da taxa na qual os fótons de luz batem no material fotocondutivo.
Naturalmente, radiação luminosa visível deve induzir transições eletrônicas no material
fotocondutivo; sulfeto de cádmio é comumente utilizado em medidores de luz.
A luz solar pode ser diretamente convertida em energia elétrica em células solares,
que também empregam semicondutores. A operação desses dispositivos é, num sentido, o
reversa daquela de diodo emissor de luz. Uma junção p-n é usada na qual fotoexcitados
elétrons e buracos são removidos para longe da junção, em sentidos opostos, e se tornam
partede uma corrente externa.
22.13 – LASERS
Todas as transições eletrônicas radiativas até aqui discutidas são espontâneas; isto é,
um elétron cai a partir de um estado de energia alta para um estado de menor energia sem
nenhuma provocação externa. Esses eventos de transição ocorrem independentemente entre si
e em tempos aleatórios, produzindo radiação que é incoerente; isto é, as ondas luminosas
estão defasadas entre si. Com lasers, entretanto, luz coerente é gerada por transições
eletrônicas iniciadas por estímulos externos; de fato, “laser” é justo o “acronym” para
amplificação de luz por estimulada emissão de radiação.
Embora existam várias diferentes variedades de laser, os princípios de operação são
explicados usando o laser de rubi de estado sólido. Rubi é simplesmente um monocristal de
Al 2 O 3 (safira) ao qual foram adicionados cerca de 0,05% de íons Cr 3+ . Como previamente
explicado(Seção 22.9), esses íons conferem ao rubi sua característica cor vermelha; mais
importante, eles provêem estados eletrônicos que são essenciais para que o laser funcione. O
laser de rubi encontra-se na forma de uma haste, as extremidades da qual são planas,
paralelas, e altamente polidas. Ambas as extremidades são prateadas de tal maneira que uma
é completamente refletora e a outra é parcialmente transmissora.
O rubi é iluminado com luz a partir de uma lâmpada de “flash”de xenon (Figura
22.11). Antes dessa exposição, virtualmente todos os íons Cr 3+ se encontra no seu estado
terreno; isto é, elétrons preenchem os mais baixos níveis energéticos, como representado
esquematicamente na Figura 22.12. Entretanto, fótons de comprimento de onda de 0,56 µm
provenientes da lâmpada de xenon excitam elétrons dos íons Cr 3+ para dentro dos estados de
energias maiores. Esses elétrons podem decair de volta ao seu estado terreno por dois
diferentes caminhos. Uma parte retorna diretamente; associadas emissões de fótons não são
parte do feixe de laser. Outros elétrons decaem a um estado metaestável intermediário (passo
EM, Figura 22.12), onde eles podem ficar durante cerca de até 3 ms antes da emissão
espontânea (passo MG). Em termos de processos eletrônicos, 3 ms é um tempo relativamente
longo, que significa que um grande número desses estados metaestáveis podem tornar–se
ocupados. Essa situação está indicada na Figura 22.13b.