MATERIAIS SEMICONDUTORES

Os átomos em um semicondutor são materiais da família IV da tabela periódica ou de combinações entre elementos entre as famílias III e V. Como diferentes semicondutores são formados por elementos de diferentes famílias da tabela, as suas propriedades variam entre os semicondutores. O silício, da família IV, é um dos materiais semicondutores mais utilizados para produção de circuitos integrados e também em células fotovoltaicas.

Um átomo consiste em um núcleo formado por prótons e nêutrons e por elétrons que orbitam este núcleo. De acordo com a mecânica quântica, elétrons de um átomo isolado possuem energia quantizada em níveis ou valor discreto de energia. Já para elementos que possuem elétrons em múltiplos orbitais, os elétrons mais próximos ao núcleo possuem a mínima (máximo negativo) energia e, consequentemente, requerem maior valor de energia para superarem a atração do núcleo para se tornarem livres. Quando átomos são aproximados, a energia dos átomos individuais é alterada e os níveis de energia são agrupados em bandas de energia. Em algumas dessas bandas de energia a existência de elétrons é permitida, enquanto que em outras é proibida. Os elétrons presentes nas bandas exteriores são responsáveis pela interação interatômica. Essas bandas exteriores são altamente preenchidas por elétrons e correspondem ao estado fundamental dos elétrons de valência nos átomos e é denominada banda de valência. Os elétrons da banda de valência são fracamente ligados ao núcleo do átomo e, dessa forma, podem se ligar mais facilmente a um átomo da vizinhança, criando um íon negativo (ânion) no átomo que recebeu este elétron e um íon positivo (cátion) no átomo que doou o elétron. Na banda de valência, alguns elétrons possuem muita energia, o que permite que saltem para uma banda de energia superior. Esses elétrons são responsáveis pela condução de eletricidade e calor, e essa banda é denominada banda de condução. A diferença de energia entre um elétron na banda de valência e um elétron na banda de condução é denominada zona proibida.

Materiais que possuem a banda de valência altamente preenchida, banda de condução vazia e zona proibida elevada são chamados de isolantes, já que nenhuma corrente pode ser transportada pelos elétrons na banda preenchida e a diferença de energia é tão alta que, em circunstâncias normais, um elétron de valência não pode aceitar energia, uma vez que os estados vazios da banda de condução são inacessíveis a ele. Nestes materiais, a zona proibida tem valores superiores a 3 eV.

Materiais que possuem a banda de valência relativamente vazia em conjunto com a presença de alguns elétrons na banda de condução são chamados de condutores. Nestes casos, as bandas de valência e de condução se sobrepõem. Os elétrons de valência são aptos a aceitarem energia para se moverem para um estado permitido desocupado em níveis de energia ligeiramente superiores dentro da mesma banda. Metais são classificados nesta categoria e os elétrons de valência são facilmente emitidos para a banda de condução, onde ficam livres para transportar energia (elétrica ou calor).

Materiais que apresentam a banda de valência parcialmente preenchida e possuem a zona proibida intermediária são denominados semicondutores. Nestes materiais a zona proibida possui valores inferiores a 3 eV. Possuem a mesma estrutura de banda dos isolantes, entretanto, a diferença de energia entre as bandas de valência e condução é muito menor.

Existem dois tipos de semicondutores, os intrínsecos e os extrínsecos, que são dopados com pequenas amostras de impurezas. Em semicondutores intrínsecos os elétrons de valência podem ser facilmente excitados através de meios ópticos ou térmicos e saltar a estreita zona proíbida até a banda de condução e estão livres para se moverem livremente.

Referências:

PINHO, J. T.; GALDINO, M. A. (2014). Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL – CRESESB.

PV EDUCATION.ORG. Semiconductor Materials, 2020. Acesso em: 19/10/2020. Disponível em: https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/semiconductor-materials

PV EDUCATION.ORG. Semiconductor Structure, 2020. Acesso em: 19/10/2020. Disponível em: https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/semiconductor-structure

KALOGIROU, S. A, 2014. Solar Energy Engineering Processes and Systems