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Semicondutores I-10: princípios básicosÍndice do grupo | Página anterior | Próxima página | Introdução | Compostos, elementos, átomos | O átomo | Níveis de energia | Valência | Bandas de energia | |
Introdução
| Topo pág | Fim pág |Os semicondutores provocaram uma verdadeira revolução na tecnologia da eletrônica. Nenhum aparelho eletrônico atual, desde um simples relógio digital ao mais avançado dos computadores, seria possível sem os mesmos.
Para uma correta compreensão do funcionamento, são necessários alguns fundamentos simplificados da teoria atômica, objeto dos tópicos iniciais desta página.
Compostos, elementos, átomos
| Topo pág | Fim pág |A maioria das substâncias presentes na natureza é formada pela combinação de outras, isto é, são compostos. Um exemplo comum é a água, formada por hidrogênio e oxigênio, os quais individualmente apresentam propriedades bastante distintas do composto.
Entretanto, tanto o hidrogênio como o oxigênio não admitem decomposição em outras substâncias e, por isso, são chamados elementos. Existem pouco mais de 100 elementos conhecidos (entre naturais e artificiais) e todas as substâncias na natureza são combinações deles. E as substâncias diferem uma das outras pelas diferentes combinações de elementos, em seus tipos e/ou proporções.
Mas o que faz um elemento diferente de outro? Uma porção qualquer de um determinado elemento não pode ser subdividida indefinidamente. Há uma partícula elementar a qual, se subdividida, faz elemento perder suas características. Essa partícula é denominada átomo. Assim, cada elemento se caracteriza por ter uma estrutura atômica própria.
A formação de um composto ocorre de maneira organizada. Cada elemento contribui com um determinado número de átomos para formar uma partícula maior, denominada molécula, que caracteriza o composto. Portanto, de forma similar ao átomo do elemento, a molécula é a menor porção possível de um composto. Se subdividida, ele perde suas características.
O átomo
| Topo pág | Fim pág |O átomo, por sua vez, é formado por partículas. A sua estrutura lembra o sistema solar, mas de dimensões ínfimas. No lugar do sol, um núcleo formado por um aglomerado de partículas. Orbitando em torno do núcleo, um outro conjunto de partículas.
São três as partículas fundamentais do átomo: prótons, nêutrons e elétrons (na realidade existem mais. Mas isso é assunto de física avançada e não é necessário para o objetivo deste estudo).
Os prótons estão sempre presentes no núcleo e têm carga elétrica positiva.
Os nêutrons podem estar ou não presentes no núcleo e não têm carga elétrica. Sua massa é próxima da do próton.
Os elétrons estão sempre nas órbitas e têm carga elétrica negativa, mas de valor absoluto igual à do próton. Sua massa é cerca de 1/1840 da massa do próton.
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| Figura 01 |
A Figura 01 deste tópico dá o esquema simplificado de um átomo de lítio. Prótons são identificados pelo sinal positivo, nêutrons pela ausência de sinal e elétrons pelo sinal negativo.
O número atômico do lítio é 3 e, portanto, existem 3 prótons no núcleo.
O número de nêutrons também depende do elemento mas não é característica exclusiva. Um mesmo elemento pode ter variações com diferentes números de nêutrons. Elas são chamadas isótopos.
Normalmente, o número de elétrons é igual ao número de prótons. Assim, a carga elétrica total do átomo é nula.
Em algumas situações, o átomo poderá perder ou ganhar elétrons, isto é, ficar positivamente ou negativamente carregado. Nessas condições, ele é denominado íon positivo ou íon negativo.
Níveis de energia
| Topo pág | Fim pág |A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo 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.
Aqui não cabem considerações mais profundas sobre a teoria quântica. Ela diz, em linhas gerais, que 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 definida em valores discretos e, portanto, ele só pode ocupar determinadas órbitas ou níveis de energia. Os níveis possíveis são sete e estão representados na Figura 01 deste tópico.
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| Figura 01 |
2n2 onde n é o número do nível.Assim, o nível 1 poderá no máximo 2, o nível 2 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. Ver exemplo da Figura 01 do tópico anterior.
Os elétrons em cada nível ocupam subníveis e cada um pode conter um número máximo de elétrons e são, de forma similar, preenchidos do menor para o maior. As designações e números máximos são dadas a seguir.
Subnível s p d f Valor máximo 2 6 10 14
É evidente que, por exemplo, o nível 1 só pode ter o subnível s, pois o número máximo do nível é 2. Já o nível 2 pode ter os subníveis s e p e assim sucessivamente.
Valência
| Topo pág | Fim pág |Seja o exemplo a seguir da distribuição dos elétrons em um átomo de cobre, número atômico 29. O nível mais externo (4, neste exemplo) é denominado nível de valência e os elétrons presentes nele são os elétrons de valência.
Nível 1 2 3 4 Subnível s s p s p d s Elétrons 2 2 6 2 6 10 1
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.
A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos subníveis, com o número de elétrons de cada subnível na forma de expoente. Para esse caso do cobre:
1s22s22p63s23p63d104s1.Bandas de energia
| Topo pág | Fim pág |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.
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| Figura 01 |
Conforme Figura 01, 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.
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Referências: BROPHY, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977. |
U. S. NAVY. Basic Electronics. Hemus, 1976. |