Constituição atómica da matéria. Condutores Isoladores Semicondutores http://www.prof2000.pt/users/lpa

Constituição da matéria A matéria que se pode encontrar no estado sólido, liquido ou gasoso é constituída por moléculas e estas podem ainda ser subdivididas em partículas menores que são os átomos. Exemplo: 1 molécula de água 2 átomos de hidrogénio 1 átomo de oxigénio H2O  H2 + O http://www.prof2000.pt/users/lpa

Estrutura do átomo O átomo é basicamente formado por três tipos de partículas elementares: electrões, protões e neutrões. Os protões e os neutrões estão no núcleo do átomo e os electrões giram em órbitas electrónicas à volta do núcleo do átomo. Órbita electrónica http://www.prof2000.pt/users/lpa

Carga eléctrica das partículas A carga eléctrica do electrão é igual à carga do protão, porém de sinal contrário: o electrão possui carga negativa (-) e o protão carga eléctrica positiva (+). O neutrão não possui carga eléctrica, isto é, a sua carga é nula. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Órbitas electrónicas Num átomo, os electrões que giram em volta do núcleo distribuem-se em várias órbitas ou camadas electrónicas num total máximo de sete (K, L, M, N, O, P, Q). http://www.prof2000.pt/users/lpa

Carga eléctrica do átomo Em qualquer átomo, o número de protões contidos no seu núcleo é igual ao número de electrões que giram à volta dele, ou seja, a carga eléctrica do átomo é nula, pois a carga positiva dos protões é anulada pela carga negativa dos electrões. Um átomo nesse estado está electricamente neutro. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Iões positivos e iões negativos Um átomo quando electricamente neutro poderá ganhar (receber) ou perder (ceder) electrões. Quando ele ganha um ou mais electrões, dizemos que se transforma num ião negativo. Quando um átomo perde um ou mais electrões, dizemos que ele se transforma num ião positivo. Exemplo: Se o átomo de sódio (Na) ceder um electrão ao átomo de cloro (Cl) passamos a ter um ião positivo de sódio e um ião negativo de cloro. Cl Na + - Ião positivo de sódio Ião negativo de cloro http://www.prof2000.pt/users/lpa

Electrões de valência A órbita electrónica ou camada mais afastada do núcleo é a camada de valência e os electrões dessa camada são chamados de electrões de valência. Num átomo, o número máximo de electrões de valência é de oito. Quando um átomo tem oito electrões de valência diz-se que o átomo tem estabilidade química ou molecular. Electrão de valência http://www.prof2000.pt/users/lpa

Condutores Os átomos com 1, 2 ou 3 electrões de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 electrões de valência). Por exemplo, um átomo de cobre tem um electrão de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse electrão (electrão livre). Número atómico do cobre = 29 (número total de electrões no átomo) K=2 2n2 = 2x12 = 2 L=8 2n2 = 2x22 = 8 M=18 2n2 = 2x32 = 18 N=1 29P K L M N http://www.prof2000.pt/users/lpa

Isoladores Os átomos que têm entre 5 e 8 electrões de valência não cedem facilmente electrões já que a sua camada de valência está quase completa (para estar completa deveria ter 8 electrões de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste caso. Estes materiais não são condutores da corrente eléctrica porque não têm electrões livres sendo necessário aplicar-lhes uma grande energia para passar os electrões de banda de valência para a banda de condução. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutores Número atómico do Germânio: 32 Número atómico do Silício: 14 Os átomos com 4 electrões de valência geralmente não ganham nem perdem electrões, é o que acontece com os materiais semicondutores, Germânio (Ge) e Silício (Si). http://www.prof2000.pt/users/lpa

Bandas de energia Energia Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo, muita tensão eléctrica) para passar os electrões da banda de valência para a banda de condução já que a banda proibida é muito larga. Pelo contrário, num material condutor a passagem dos electrões da banda de valência para a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida. Os materiais semicondutores estão numa situação intermédia entre os materiais isoladores e condutores. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutores http://www.prof2000.pt/users/lpa

Estrutura cristalina dos semicondutores Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura. Átomo de silício http://www.prof2000.pt/users/lpa

Ligação covalente Nessa estrutura cristalina, cada átomo (representado por Si) une-se a outros quatro átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um electrão do átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois electrões. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Estrutura cristalina dos semicondutores Na prática, a estrutura cristalina ilustrada na figura só é conseguida quando o cristal de silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito electrões de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há electrões livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutor intrínseco Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electrões livres no semicondutor. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutor extrínseco Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor. Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Processo de dopagem Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. Átomos dadores têm cinco electrões de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb). Átomos aceitadores têm três electrões de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al). http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutor do tipo N A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam electrões livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) electrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do electrão). Electrão livre do Arsénio http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutor do tipo P A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) electrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do electrão). http://www.prof2000.pt/users/lpa

Portadores maioritários e minoritários Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo N Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita) porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários). Electrões A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo. http://www.prof2000.pt/users/lpa

Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo P Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita) porque o número de lacunas livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de electrões livres (portadores minoritários). Electrões A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo. http://www.prof2000.pt/users/lpa