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Ciência e Tecnologia dos Materiais

Um dos triunfos das teorias cinética e atômica é sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades físicas da matéria, explicando, por exemplo, por que alguns materiais são bons condutores de calor, enquanto outros não o são. Existe uma classe intermediária de substâncias, chamadas semicondutores, que possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Desta forma, são melhores condutores do que os isolantes de eletricidade, mas não tão bons condutores como o cobre. Tais materiais se mostram extremamente úteis para a eletrônica.

Em comparação com os metais e com os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas.

Um semicondutor puro como o elemento silício apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; porém se pequenas quantidades de impurezas são incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente. O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, da forma como age um diodo. A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido.

Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor

Para uma correta compreensão do funcionamento destes materiais, faz-se necessário recordar alguns conceitos já vistos.

4.1 Níveis de Energia

A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos.

Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron.

Conforme a Teoria Quântica os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. No mundo prático isso não é perceptível porque os valores são muito pequenos, mas, os elétrons são partículas elementares e o seu comportamento é bem definido por tais intervalos. Assim, a energia total que o elétron pode ter é

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Ciência e Tecnologia dos Materiais definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete podendo ser representados pelos números 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7 ou pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Para os 113 elementos químicos conhecidos, segundo o princípio de exclusão de Pauli, o número máximo de elétrons em cada nível é 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4, respectivamente, conforme representado na figura seguinte.

onde n é o número do nível.

Assim, o nível 1 poderá possuir no máximo 2 elétrons, o nível 2 poderá ter no máximo 8 e assim sucessivamente.

É regra geral na natureza a estabilização na menor energia possível. Assim, os níveis são preenchidos na seqüência do menor para o maior e um nível só poderá conter elétrons se o anterior estiver completo.

Em cada camada ou nível de energia, os elétrons se distribuem em subcamadas ou subníveis, representados pelas letras s, p, d, f, em ordem crescente de energia. O número máximo de elétrons de cada subnível também foi determinado experimentalmente:

Subnível S p d f Número máximo de elétrons 2 6 10 14

O número de subníveis que constituem cada nível de energia depende do número máximo de elétrons que cabem em cada nível. Assim, como no primeiro nível cabem no máximo 2 elétrons este nível apresenta apenas um subnível s, no qual cabem os dois elétrons. O subnível s do primeiro nível de energia é representado por 1s.

Como no segundo nível cabem no máximo 8 elétrons, o segundo nível é constituído de um subnível s, no qual ficam 2 elétrons, e um subnível p, com no máximo 6 elétrons. Deste modo o segundo nível e formado por dois subníveis representados por 2s 2p, e assim por diante.

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Linus Gari Pauling (1901-1994), químico americano, elaborou um dispositivo prático que permite colocar todos os subníveis de energia conhecidos em ordem crescente de energia. É o processo das diagonais, denominado Diagrama de Pauling, representado a seguir.

Vejamos um exemplo:

A camada de valência do As (arsênio), cujo número atômico é 3, é a camada N, pois é o último nível que contém elétrons.

A distribuição eletrônica deste átomo fica assim:

O número 4 corresponde à camada N. O subnível p da camada N, neste caso não está completo, pois sobraram apenas 3 elétrons para este subnível. A camada N, neste caso formada pelos subníveis s e p, soma um total de 5 elétrons. Quando completa, esta camada (N) comporta até 32 elétrons, pois é formada pelos subníveis s, p, d e f.

4.2 Valência

Utilizando-se o mesmo exemplo dado anteriormente, percebe-se o nível mais externo do átomo de arsênio (a camada N) com apenas 3 elétrons. Este nível é denominado nível de valência e os elétrons presentes nele são os elétrons de valência.

O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos. Muitas das propriedades químicas e elétricas dependem da valência.

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4.3 Bandas de Energia

Quando os átomos não estão isolados, mas juntos em um material sólido, as forças de interação entre eles são significativas. Isso provoca uma alteração nos níveis de energia acima da valência. Podem existir níveis de energia não permitidos, logo acima da valência.

Para que um material conduza eletricidade, é necessário que os elétrons de valência, sob ação de um potencial elétrico aplicado, saltem do nível de valência para um nível ou banda de condução.

Conforme a figura ao lado, em um material condutor quase não existem níveis ou banda de energia proibidos entre a condução e a valência e, portanto, a corrente flui facilmente sob a ação do campo elétrico.

Um material isolante apresenta uma banda proibida de grande extensão entre a valência e condução. Pos isso, dificilmente há condução da corrente.

Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermediárias. Isso significa que podem apresentar alguma condução, melhor que a dos isolantes, mas pior que a dos condutores.

Os materiais semicondutores são sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa “facilidade” de sua condição de isolante para a de condutor. Isto é, podem sofrer grandes alterações em sua condutividade, pois a quantidade de energia necessária para retirar um elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução é intermediária entre a energia necessária para o isolante e o condutor. Em baixas temperaturas, os semicondutores puros comportam-se como isolantes. Sob temperaturas mais altas, ou luz ou com a adição de impurezas, porém, pode ser aumentada drasticamente a sua condutividade, podendo-se alcançar níveis que se aproximam dos metais.

4.4 Materiais Intrínsecos

Na figura ao lado apresentam-se os átomos de dois materiais semicondutores intrínsecos ou puros, o silício (Si) e o germânio (Ge). Os semicondutores intrínsecos ou puros são aqueles encontrados em estado natural.

Ambos são elementos tetravalentes, ou seja, que possuem quatro elétrons na camada de valência, permitindo, assim, que os seus átomos façam quatro ligações covalentes ou de compartilhamento de elétrons, para tornarem-se estáveis.

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Existem, ainda, os semicondutores I-V que são formados por um elemento trivalente, o

GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo (areia).

4.5 Condução Elétrica nos Semicondutores

Num determinado instante quando recebe um acréscimo de energia e sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo, conforme apresenta a figura seguinte:

No instante seguinte, verifica-se que a lacuna também se move. Porém, a movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. Num material condutor o movimento das lacunas é desprezível.

4.6 Semicondutores do Tipo N e P

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