10.5 :  Noções básicas de semicondutores

A geração de corrente elétrica em semicondutores é fundamentalmente impulsionada por dois mecanismos: deriva e difusão. Esses processos são essenciais para a funcionalidade e desempenho de dispositivos baseados em semicondutores.

Corrente de deriva:

A deriva dos portadores de carga é iniciada por um campo elétrico externo (E). Partículas carregadas, como elétrons e buracos, experimentam uma aceleração entre colisões com átomos da rede. Para elétrons, isso resulta em uma velocidade de deriva (v_d) dada por:

Onde μ_e é a mobilidade dos elétrons e E é a intensidade do campo elétrico.

A densidade de corrente (J) devido à deriva para elétrons (J_n) e buracos (J_p) pode ser expressa como:

Onde q é a carga elementar, n e p são as concentrações de elétrons e buracos, respectivamente, e μ_n e μ_p são as mobilidades de elétrons e buracos. A densidade total de corrente de deriva (J_total) é a soma das densidades de corrente de elétrons e buracos:

A condutância (σ) é então a soma dos produtos da densidade de carga e mobilidade para cada tipo de portadora:

Corrente de difusão:

A difusão ocorre devido ao movimento térmico dos transportadores, passando de regiões de maior concentração para regiões de menor concentração. A densidade de corrente (J_difusão) é:

D_n e D_p são os coeficientes de difusão para elétrons e lacunas, respectivamente, e dn/dx e dp/dx são os gradientes de concentração para elétrons e lacunas.

As relações de Einstein ligam a mobilidade e o coeficiente de difusão para elétrons e buracos:

Onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta.

Quando um campo elétrico e um gradiente de concentração estão presentes, a densidade total de corrente é a soma dos componentes de deriva e difusão. Em aplicações do mundo real, esses fenômenos são analisados ​​utilizando as equações de semicondutores, um conjunto de equações diferenciais que descrevem o comportamento dos portadores de carga em um semicondutor.