Condução em Materiais Sólidos
O número de elétrons no anel externo de um átomo ainda é a razão para a diferença entre condutores e isolantes. Como sabemos, os materiais sólidos são usados principalmente em dispositivos elétricos para realizar a condução de elétrons. Esses materiais podem ser separados em condutores, semicondutores e isolantes.
No entanto, condutores, semicondutores e isoladores são diferenciados por diagramas de nível de energia. A quantidade de energia necessária para fazer um elétron deixar sua banda de valência e entrar em condução será contabilizada aqui. O diagrama é uma composição de todos os átomos do material. Os diagramas de nível de energia de isoladores, semicondutores e condutores são mostrados na figura a seguir.
Valence Band
A parte inferior é o valence band. Ele representa os níveis de energia mais próximos do núcleo do átomo e os níveis de energia na banda de valência mantêm o número correto de elétrons necessários para equilibrar a carga positiva do núcleo. Assim, esta banda é chamada defilled band.
Na banda de valência, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo. Movendo-se para cima no nível de energia, os elétrons são mais levemente ligados em cada nível sucessivo em direção ao núcleo. Não é fácil perturbar os elétrons nos níveis de energia mais próximos do núcleo, pois seu movimento requer energias maiores e cada órbita do elétron possui um nível de energia distinto.
Banda de condução
A banda superior ou mais externa no diagrama é chamada de conduction band. Se um elétron tem um nível de energia, que fica dentro dessa faixa, e é comparativamente livre para se mover no cristal, ele conduz corrente elétrica.
Na eletrônica de semicondutores, estamos preocupados principalmente com as bandas de valência e condução. A seguir estão algumas informações básicas sobre ele -
A banda de valência de cada átomo mostra os níveis de energia dos elétrons de valência na camada externa.
Uma quantidade definida de energia deve ser adicionada aos elétrons de valência para fazer com que eles entrem na banda de condução.
Lacuna Proibida
As bandas de valência e condução são separadas por um gap, onde quer que exista, denominado gap proibido. Para cruzar a lacuna proibida, uma quantidade definida de energia é necessária. Se for insuficiente, os elétrons não são liberados para a condução. Os elétrons permanecerão na banda de valência até que recebam energia adicional para cruzar a lacuna proibida.
O estado de condução de um determinado material pode ser indicado pela largura da lacuna proibida. Na teoria atômica, a largura da lacuna é expressa em elétron-volts (eV). Um volt de elétron é definido como a quantidade de energia ganha ou perdida quando um elétron é submetido a uma diferença de potencial de 1 V. Os átomos de cada elemento têm um valor de nível de energia diferente que permite a condução.
Observe que o forbidden regionde um isolador é relativamente largo. Para fazer com que um isolador entre em condução, será necessária uma grande quantidade de energia. Por exemplo, Thyrite.
Se os isoladores operam em altas temperaturas, o aumento da energia térmica faz com que os elétrons da banda de valência se movam para a banda de condução.
Como fica claro no diagrama de banda de energia, a lacuna proibida de um semicondutor é muito menor do que a de um isolador. Por exemplo, o silício precisa ganhar 0,7 eV de energia para entrar na banda de condução. Em temperatura ambiente, a adição de energia térmica pode ser suficiente para causar condução em um semicondutor. Esta característica particular é de grande importância em dispositivos eletrônicos de estado sólido.
No caso de um condutor, a banda de condução e a banda de valência se sobrepõem parcialmente. Em certo sentido, não há lacuna proibida. Portanto, os elétrons da banda de valência são capazes de se liberar para se tornarem elétrons livres. Normalmente, em temperatura ambiente normal, pouca condução elétrica ocorre dentro do condutor.