\hline 4 ^ a QUESTÃO & Valor: 1,0 \
\hline \multicolumn{2}{|l|}{Explique as diferenças entre as partículas com carga negativa que podem existir em semicondutores dopados.} \
\hline

Passo 1

O enunciado pede para explicar quais espécies com carga negativa podem estar presentes em semicondutores dopados e em que elas diferem entre si. O conteúdo envolvido é o de dopagem em semicondutores, níveis de impureza (doadores e aceitadores), banda de condução e banda de valência. Para resolver, vamos revisar como a dopagem altera o número e o tipo de portadores em n-type e p-type e comparar parâmetros como energia, mobilidade e grau de liberdade de movimento.

Passo 2

Em semicondutores do tipo n, adicionamos átomos doadores que possuem um elétron a mais do que o semicondutor puro. Quando esse átomo se ioniza, ele libera um elétron para a banda de condução. Esse elétron livre apresenta:
  • Energia próxima ao fundo da banda de condução;
  • Carga -e;
  • Mobilidade relativamente alta, pois se move quase livremente no retículo, sofrendo apenas dispersões por fônons e impurezas;
  • Massa efetiva ,m^*, menor que a massa de repouso do elétron no vácuo, refletindo as interações com a rede cristalina.

Passo 3

Ainda em n-type, existe o elétron ligado ao nível do doador (antes de ionizar). Esse elétron:
  • Está confinado em torno do átomo doador;
  • Possui energia de ligação Ed tipicamente da ordem de dezenas de meV abaixo da borda da banda de condução;
  • Tem mobilidade praticamente nula até ser ionizado (porque está preso);
  • Requer energia térmica para saltar ao estado livre na banda de condução.

Passo 4

Em semicondutores do tipo p, introduzimos átomos aceitadores, que têm um elétron a menos. Eles capturam um elétron da banda de valência, criando um buraco. Após capturar o elétron, o aceitador fica como um íon aceitador negativo fixo na rede. Suas características são:
  • Carga -e, mas são imobilizados na posição doador/aceitador (não se deslocam para condução);
  • Nível de energia Ea tipicamente algumas dezenas de meV acima do topo da banda de valência;
  • Não contribuem diretamente para a corrente (são “fixos”);
  • O elétron que foi capturado deixa um buraco móvel na banda de valência, mas esse buraco tem carga +e.

Passo 5

Resumindo a comparação entre as espécies negativas em semicondutores dopados:
  • Elétrons livres na banda de condução: têm alta mobilidade e participam diretamente da condução elétrica.
  • Elétrons ligados a níveis de doador: confinados, baixa mobilidade, nível de energia abaixo da banda de condução.
  • Íons aceitadores negativos: fixos, não contribuem para corrente, nível de energia acima da banda de valência.

Resposta

As partículas negativas que aparecem em semicondutores dopados são principalmente:
(a) elétrons livres na banda de condução (móveis, carga -e, massa efetiva m^*);
(b) elétrons ainda ligados ao nível doador (localizados, energia de ligação Ed, mobilidade nula);
(c) íons aceitadores negativos em p-type (carga -e mas imobilizados na rede, nível de energia Ea).

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