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Física de Dispositivos Eletrônicos Apostila 1 Conceitos Básicos (material em organização somente para uso nas aulas) Prof. Dr. Luiz A. Rasia Agosto, 2013 FÍSICA DOS SEMICONDUTORES ESTUDO DOS SEMICONDUTORES Os átomos de germânio e silício tem uma camada de valência com 4 elétrons. Quando os átomos de germânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam uma estrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujos átomos se posicionam no espaço, formando uma estrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois elétrons. Se nas estruturas com germânio ou silício não fosse possível romper a ligações covalentes, elas seriam materiais isolantes. No entanto com o aumento da temperatura algumas ligações covalentes recebem energia suficiente para se romperem, fazendo com que os elétrons das ligações rompidas passem a se movimentar livremente no interior do cristal, tornando-se elétrons livres. Com a quebra das ligações covalentes, no local onde havia um elétron de valência, passa a existir uma região com carga positiva, uma vez que o átomo era neutro e um elétron o abandonou. Essa região positiva recebe o nome de lacuna, sendo também conhecida como buraco. A lacuna não tem existência real, pois são apenas espaços vazios provocados por elétrons que abandonam as ligações covalentes rompidas. Sempre que uma ligação covalente é rompida, surgem simultaneamente um elétron e uma lacuna. Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétron preencher o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente (processo de recombinação). Como tanto os elétrons como as lacunas sempre aparecem e desaparecem aos pares, pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual a de elétrons livres. Quando o cristal de silício ou germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres se movem no sentido do maior potencial elétrico e as lacunas por conseqüência se movem no sentido contrário ao movimento dos elétrons. MODELOS E ESTRUTURA DOS ÁTOMOS O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares: Elétrons, prótons e nêutrons. A carga do elétron é igual a do próton, porém de sinal contrário. Os elétrons giram em torno do núcleo distribuindo-se em diversas camadas, num total de até sete camadas. Em cada átomo, a camada mais externa é chamada de valência, e geralmente é ela que participa das reações químicas [2]. Todos os materiais encontrados na natureza são formados por diferentes tipos de átomos, diferenciados entre si pelos seus números de prótons, elétrons e nêutrons. Cada material tem uma infinidade de características, mas uma especial em eletrônica é o comportamento à passagem de corrente. Pode-se dividir em três tipos principais que nas próximas seções serão estudadas. Modelo proposto por Demócrito Toda a matéria é constituída porátomos e vazio; O átomo é uma partícula pequeníssima, invisível,e que não pode ser dividida; Os átomos encontram-se em constante movimento; Universo constituído por um número infinito de átomos, indivisíveis e eternos; Modelo proposto por Dalton A matéria é composta por pequenos corpúsculos, que não se subdividem – os Átomos; Os átomos do mesmo elemento são iguais entre si – têm a mesma massa; A matéria é formada pela união de diferentes átomos em proporções definidas. Modelo proposto por Thomson (1904) (Modelo do “Pudim de Passas”) O átomo era uma esfera maciça de carga elétrica positiva, estando os elétrons dispersos na esfera. O número de elétrons seria tal que a carga total do átomo seria zero. Modelo proposto por Rutherford (1911) O átomo é uma estrutura praticamente vazia, e não uma esfera maciça sendo constituído por: • Núcleo muito pequeno com a carga positiva, onde se concentra quase toda a massa do átomo; • Elétrons com carga negativa movendo-se em volta do núcleo. Neste modelo o átomo é parecido com a estrutura proposta para o Sistema Solar. Modelo proposto por Bohr Apenas algumas órbitas seriam permitidas aos elétrons; Cada órbita correspondia a um nível de energia bem definido do eletron; Os elétrons podem saltar de uma órbita para outra, ao absorver ou emitir energia. O nível mais energético seria o mais distante do núcleo, e o menos energético o mais próximo. Este modelo adequa-se muito bem a átomos com apenas um elétron, falhando para átomos com vários elétrons; Este modelo também não explica a interação entre vários átomos. O modelo de Bonhr, ainda é o modelo mental utilizado por muitos cientistas, visto ser de fácil visualização. Idéias Revolucionárias Sobre o Comportamento dos Elétrons nos Átomos Por volta de 1927, os cientistas deixaram de acreditar que o elétron teria uma trajetória bem definida em torno do núcleo e Schrödinger propôs o modelo da Nuvem Eletrônica conforme ilustra a figura. Estrutura atomica de átomos Neste modelo os elétrons movem-se de forma desconhecida com velocidade elevadíssima. O movimento do elétron passou a ser descrito por uma nuvem eletrônica que, quanto mais densa é a nuvem, maior é a probabilidade de se encontrar aí o elétron. A nuvem é mais densa próximo do núcleo, e menos densa longe do núcleo. Mas de que é feito o núcleo atômico? Até 1920, o núcleo do átomo era considerado com uma esfera maciça de carga elétrica positiva. Mas, em 1920, Rutherford caracteriza o proton como sendo a unidade de carga elétrica positiva e, no decurso das suas investigações depara-se com: Em 1932, James Chadwick descobre o neutron, após vários anos de busca, encontrando uma partícula subatómica no núcleo do átomo, além do já conhecido proton. O Neutron não tem carga elétrica e tem aproximadamente a mesma massa do proton que é 1800 vezes maior que um elétron. A ilustração mostra a evolução do modelo atômico. Atualmente, dispomos de potentes microscópios os quais permitem obter imagens dos átomos. A ilustração abaixo mostra as dimensões de alguns átomos. Assim, por exemplo, um ponto final poderia ser equivalente: QUESTÕES: 1) Qual a carga de um elétron? 2) Qual a massa de um elétron? 3) Quantas vezes um próton é maior que um elétron? 4) Quais as dimensões de um átomo? 5) Por que você acha importante saber estas coisas? Faça um pequeno texto explicando o que você está estudando nesta disciplina após ter passado a quarta aula do curso. 6) Pesquise e explique porque o modelo de átomo de Rutherford (1911) não consegue explicar a seguinte ilustração (conceitos) mostrados na figura: 7) Escreva uma equação para descrever a interação entre a carga elétrica, a força elétrica e o conceito de campo elétrico. 8) Escreva a equação para a Lei de Coulomb. 9) O que você entende por quantização de cargas elétricas? 10) Descreva, matematicamente, o fluxo de elétrons que atravessa uma superfície na unidade de tempo. O que isto significa? 11) Quando discutimos o fluxo de corrente elétrica dentro dos materiais e dispositivos estamos referindo-nos a que conceito matemático? 12) Descreva, matematicamente, o campo elétricoquando uma voltagem (tensão elétrica) é aplicada entre duas placas, considere que o meio físico entre elas não está carregado eletricamente. De que conceito estamos falando? 13) Descreva, resumidamente, os modelos atômicos existentes. Qual deles é para você mais significativo?
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