Explique a aparência dos semicondutores com a interação da luz.
Passo 1
O enunciado pede para entendermos por que os semicondutores apresentam certas cores e brilho quando iluminados, ou seja, qual é a aparência visual de um semicondutor ao interagir com a luz. O conteúdo envolve teoria de bandas, coeficiente de absorção, transmissão e reflexão de luz em materiais com gap de energia finito.
Passo 2
Primeiro, lembramos a teoria de bandas: num semicondutor existe uma banda de valência preenchida e uma banda de condução vazia, separadas por um gap de energia \mathrm{E_g}. Um fóton com energia \hbar\omega só pode ser absorvido se \hbar\omega \ge \mathrm{E_g}
pois daí o elétron salta da valência para a condução. Se \hbar\omega < \mathrm{E_g}, o material não absorve esse fóton e ele pode ser transmitido ou simplesmente não interagir.
Passo 3
A cor percebida depende de quais comprimentos de onda o semicondutor absorve mais fortemente. O coeficiente de absorção \alpha(\omega) cresce rapidamente para \hbar\omega logo acima de \mathrm{E_g}. Assim, se \mathrm{E_g} estiver dentro do espectro visível, o material absorverá comprimentos de onda com energia maior que \mathrm{E_g} e transmitirá ou refletirá aqueles com energia menor. Por exemplo:
– Se \mathrm{E_g}\approx2{,}0\,\text{eV}, fótons mais energéticos (azul e violeta) são absorvidos e o material pode parecer avermelhado.
– Se \mathrm{E_g}\approx2{,}3\,\text{eV}, absorve verde e azul, transmitindo vermelho e amarelo e aparecendo esbranquiçado ou amarelado.
Passo 4
Além da absorção, há reflexão de superfície. O índice de refração n de semicondutores típicos (por ex. silício, GaAs) é alto n\sim3\div4, então a refletância de Fresnel na interface ar–semicondutor é
R = \Bigl|\frac{n-1}{n+1}\Bigr|^2,
o que dá valores de R\sim30\%. Essa alta refletividade confere brilho metálico ou “prateado” à superfície, mesmo em materiais não metálicos.
Passo 5
Em amostras finas ou polidas, combinamos absorção seletiva e reflexão de Fresnel:
Luz incidente com \hbar\omega<\mathrm{E_g} é pouco absorvida e parte é refletida, parte transmitida (se for filme fino, vemos coloração por transmissão).
Luz com \hbar\omega\ge\mathrm{E_g} é fortemente absorvida no interior, não chega à superfície oposta.
Isso explica por que substratos de GaP podem ser esverdeados (absorvem vermelho e azul) e chapas de silício, cujo gap de \sim1{,}1\,\text{eV} está no infravermelho, parecem cinza–prateados: eles refletem muito no visível e só começam a absorver no infravermelho.
Resposta
A aparência dos semicondutores é determinada pela absorção de fótons com energia \hbar\omega\ge\mathrm{E_g} (definindo quais cores são removidas do espectro) e pela alta refletância de Fresnel devido ao elevado índice de refração, resultando em um brilho metálico e numa coloração seletiva que depende do valor do gap de energia.