10.1 : Noções básicas de semicondutores

Átomos isolados possuem níveis de energia discretos que são bem descritos pelo modelo de Bohr. E quantifica a energia de um elétron em um átomo de hidrogênio como En. Números quânticos 'n' mais altos produzem níveis de energia eletrônica menos negativos e mais próximos.

Formação da banda:

Quando os átomos são aproximados, como em um sólido, esses níveis discretos de energia começam a se dividir devido à sobreposição de orbitais de elétrons de átomos adjacentes. Essa divisão ocorre devido ao princípio de exclusão de Pauli, que afirma que dois elétrons não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico. À medida que mais átomos são combinados, o número de níveis de energia discretos aumenta e a divisão torna-se tão fina que forma uma faixa de energia contínua. Num determinado ponto, conhecido como distância interatômica de equilíbrio, essas bandas tornam-se a banda de valência, preenchida com elétrons, e a banda de condução, que fica vazia na temperatura zero absoluto.

Bandas de energia em semicondutores:

A estrutura da banda de energia é mais complexa em semicondutores como o silício, que possui 14 elétrons. Os 10 elétrons internos ocupam os níveis de energia mais profundos e não contribuem para a ligação. Os quatro elétrons de valência restantes, que estão nas subcamadas 3s e 3p, determinam as propriedades químicas e elétricas do material. À medida que os átomos de silício formam uma rede cristalina, as subcamadas 3s e 3p se sobrepõem e formam bandas. Na distância de equilíbrio no cristal, essas bandas contêm 4N estados para a banda de valência e 4N estados para a banda de condução, onde N é o número de átomos de silício.

O tamanho do bandgap é crucial porque determina a facilidade com que os elétrons podem ser excitados para a banda de condução. Este bandgap é pequeno o suficiente para semicondutores para que a energia térmica ou a luz possam excitar os elétrons através do gap, resultando em condução elétrica.