Que mecanismos governam a condução de corrente nos materiais semicondutores?
Passo 1
O enunciado pergunta quais são os mecanismos que permitem a condução de corrente em semicondutores. O conteúdo envolvido é física de semicondutores, em particular as noções de portadores de carga, movimento sob campo elétrico e transporte por gradientes de concentração. Para responder precisamos apresentar os dois processos básicos de transporte de carga (deriva e difusão) e comentar como mobilidade e geração/recombinação influenciam esses mecanismos.
Passo 2
Em semicondutores puros (intrínsecos) ou dopados, a condução se dá por dois tipos de portadores: elétrons livres na banda de condução e lacunas (holes) na banda de valência. A concentração de elétrons é denotada por
e a de lacunas por
. A introdução de impurezas (dopagem) altera
e
, mas o transporte obedece aos mesmos mecanismos fundamentais.
Passo 3
O primeiro mecanismo é a deriva (drift), em que um campo elétrico
impõe uma força
aos portadores (com carga
), gerando uma velocidade média de deriva
. O resultado é uma densidade de corrente de deriva para elétrons e lacunas:
onde
e
são as mobilidades dos elétrons e das lacunas, que dependem de dispersão em impurezas e fônons.
Passo 4
O segundo mecanismo é a difusão, que ocorre quando há gradiente espacial na concentração de portadores. Pela lei de Fick, elétrons se difundem do ponto de maior
para menor, e lacunas do maior
para menor. As densidades de corrente de difusão são:
onde
e
são os coeficientes de difusão dos elétrons e lacunas.
Passo 5
Mobilidade e difusão estão relacionadas pela relação de Einstein, que em temperatura
liga
e
:
com
sendo a constante de Boltzmann. Além disso, processos de geração (por excitação térmica ou ótica) e recombinação (quando elétron e lacuna se aniquilam) determinam o regime de equilíbrio ou fora de equilíbrio dos portadores, afetando as condições de transporte.
Resposta
Os principais mecanismos de condução em semicondutores são:
- Deriva (Drift): movimento ordenado de elétrons e lacunas sob ação de um campo elétrico, com correntes
e . - Difusão: transporte devido a gradientes de concentração, com correntes
e . - Geração e recombinação: determinam como
e se mantêm em equilíbrio ou sob injeção, influenciando os perfis de concentração e, consequentemente, o transporte.