O que é um Semicondutor Intrínseco?

O que é um Semicondutor Intrínseco?

Definição de Semicondutor Intrínseco

Um semicondutor é um material cuja condutividade está entre a dos condutores e a dos isolantes. Semicondutores quimicamente puros, ou seja, livres de impurezas, são chamados de Semicondutores Intrínsecos ou Semicondutores Não Dopeados ou i-tipo Semicondutor. Os semicondutores intrínsecos mais comuns são o Silício (Si) e o Germânio (Ge), que pertencem ao Grupo IV da tabela periódica. Os números atômicos do Si e Ge são 14 e 32, respectivamente, o que resulta em suas configurações eletrônicas como 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 e 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2, respectivamente.

Tanto o Si quanto o Ge têm quatro elétrons em sua camada externa, ou de valência. Esses elétrons de valência são responsáveis pelas propriedades de condução dos semicondutores.

A rede cristalina do Silício (é a mesma para o Germânio) em duas dimensões é mostrada na Figura 1. Aqui, vê-se que cada elétron de valência de um átomo de Si se liga ao elétron de valência do átomo de Si adjacente para formar um vínculo covalente.

Depois de formarem pares, os semicondutores intrínsecos não possuem portadores de carga livres, que são os elétrons de valência. A 0K, a banda de valência está cheia, e a banda de condução está vazia. Nenhum elétron de valência tem energia suficiente para cruzar a lacuna de energia proibida, fazendo com que os semicondutores intrínsecos atuem como isolantes a 0K.

No entanto, à temperatura ambiente, a energia térmica pode causar a ruptura de alguns dos vínculos covalentes, gerando elétrons livres, conforme mostrado na Figura 3a. Os elétrons assim gerados ficam excitados e se movem da banda de valência para a banda de condução, superando a barreira de energia (Figura 2b). Durante esse processo, cada elétron deixa um buraco na banda de valência. Os elétrons e buracos criados dessa maneira são chamados de portadores de carga intrínsecos e são responsáveis pelas propriedades condutivas exibidas pelo material do semicondutor intrínseco.

Embora os semicondutores intrínsecos possam conduzir à temperatura ambiente, sua condutividade é baixa devido aos poucos portadores de carga. À medida que a temperatura aumenta, mais vínculos covalentes se rompem, gerando mais elétrons livres. Esses elétrons se movem da banda de valência para a banda de condução, aumentando a condutividade. O número de elétrons (ni) sempre é igual ao número de buracos (pi) no semicondutor intrínseco.

Ao aplicar um campo elétrico a um semicondutor intrínseco, os pares elétron-buraco podem ser feitos para se deslocar sob sua influência. Nesse caso, os elétrons se movem na direção oposta ao campo aplicado, enquanto os buracos se movem na direção do campo elétrico, conforme mostrado na Figura 3b. Isso significa que as direções em que os elétrons e os buracos se movem são mutuamente opostas. Isso ocorre porque, quando um elétron de um átomo particular se move, digamos, para a esquerda, deixando um buraco em seu lugar, o elétron do átomo vizinho ocupa seu lugar, recombinando com aquele buraco. No entanto, ao fazer isso, ele terá deixado outro buraco em seu lugar. Isso pode ser visto como o movimento dos buracos (para a direita neste caso) no material semicondutor. Esses dois movimentos, embora opostos em direção, resultam no fluxo total de corrente através do semicondutor.

Matematicamente, as densidades de portadores de carga em semicondutores intrínsecos são dadas por

Aqui,

Nc é a densidade efetiva de estados na banda de condução.

Nv é a densidade efetiva de estados na banda de valência.

k é a constante de Boltzmann.

T é a temperatura.

EF é a energia de Fermi.

Ev indica o nível da banda de valência.

Ec indica o nível da banda de condução.

h é a constante de Planck.

mh é a massa efetiva de um buraco.

me é a massa efetiva de um elétron.