BANDAS
DE ENERGIA EM SÓLIDOS
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De acordo com a mecânica quântica, os elétrons dum átomo não podem
possuir um qualquer nível de energia, mas apenas alguns, determinados pelos
números quânticos. Com base nestes conceitos é possível desenhar um diagrama
de níveis de energia. Este diagrama é constituído por linhas horizontais
paralelas, cada uma correspondente a um nível de energia. O nível de energia
de um elétron determina a sua maior ou menor ligação ao átomo. Os elétrons
das camadas internas estão fortemente ligados ao núcleo do átomo, o que
corresponde a terem menos energia que os restantes. Quanto maior for o nível
de energia (camadas externas), menor é a ligação ao átomo. Numa estrutura
cristalina, os elétrons nas camadas internas não são afetados pelos átomos
vizinhos, só interessando considerar os elétrons das camadas externas. Além
disso, os níveis de energia estão muito próximos, de modo que se pode falar
de bandas de energia. |
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ISOLANTES Num
isolante, os elétrons das camadas externas têm níveis de energia na
chamada banda de valência. A chamada banda de condução,
correspondente a níveis de energia para os quais os elétrons se libertam do
átomo (elétrons livres), está vazia de elétrons e separada da banda de
valência pela chamada banda proibida. Como o nome sugere, não há
níveis de energia nesta banda que possam ser ocupados por elétrons. Se os elétrons
de valência receberem energia suficiente para atingirem os níveis da banda de
condução, tornam-se livres. Num material isolante a banda proibida é muito
grande (é preciso muita energia para um elétron da banda de valência passar
para a banda de condução). Por isso, praticamente não há elétrons na banda de
condução. Não havendo elétrons livres, a aplicação de um campo elétrico não
dá origem a qualquer corrente. No
caso de um cristal de diamante, a largura da banda proibida é cerca de 6 eV (elétron-Volt). |
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CONDUTORES Num
condutor metálico, existe uma sobreposição das bandas de valência e de
condução, o que significa que, à temperatura ambiente, há elétrons
originários da banda de valência com níveis de energia de condução, de forma
que, ao ficarem sujeitos a um campo elétrico, facilmente se deslocam pelo
metal, constituindo uma corrente elétrica. |
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SEMICONDUTORES Um
semicondutor é um caso intermédio entre um isolante e um condutor. Neste
caso, a largura da banda proibida é relativamente pequena, da ordem de 1 eV. Para
os casos dos semicondutores mais usados na indústria eletrônica, os valores
da largura de banda são, à temperatura de 0 K, 0,785 eV para o germânio e
1,21 eV para o silício. A temperaturas baixas, os materiais semicondutores
são praticamente isolantes, porque não é possível normalmente fazer passar um
elétron da banda de valência para a de condução, por aplicação de um campo
elétrico externo. Por aumento da temperatura é possível a transição de alguns
elétrons da banda de valência para a de condução, tornando o material
ligeiramente condutor ou semicondutor. Os elétrons que abandonam a
banda de valência deixam nesta uma lacuna ou buraco, que
corresponde a uma carga positiva. Quando outro elétron ocupar este nível, isso corresponde a uma deslocação da
carga positiva. Um semicondutor puro, com as caraterísticas indicadas,
chama-se semicondutor intrínseco. Existem semicondutores chamados extrínsecos,
que resultam de semicondutores intrínsecos dopados com átomos de outras
substâncias (chamadas impurezas), que alteram o seu comportamento elétrico
e são a base dos componentes eletrônicos semicondutores. De
acordo com a explicação dada anteriormente, os semicondutores são muito
sensíveis à temperatura. |