Sensores de temperatura e dispositivos fotovoltaicos frequentemente utilizam semicondutores como o silício (Si) e o arseneto de gálio (GaAs). Com base no modelo de bandas, explique por que esses materiais são classificados como semicondutores.
Passo 1
O enunciado pergunta por que o silício e o arseneto de gálio são classificados como semicondutores segundo o modelo de bandas de energia em sólidos. Vamos usar o conceito de bandas de valência e de condução e o tamanho da lacuna de energia para entender essa classificação.
Passo 2
No modelo de bandas, os elétrons em um sólido ocupam até a banda de valência, e acima dela existe a banda de condução. Entre essas bandas há uma diferença de energia chamada lacuna de banda,
.
- Se
, elétrons fluem livremente e o material é condutor. - Se
é muito grande (tipicamente ), poucos elétrons saltam da valência para a condução, e o material é isolante. - Se
é intermediário (cerca de a ), uma parcela significativa de elétrons pode ser promovida termicamente à banda de condução à temperatura ambiente, mas não tantos quanto num metal — esse é o caso dos semicondutores.
Passo 3
Para o silício e o GaAs os valores de lacuna são:
Esses valores estão justamente na faixa intermediária. A uma temperatura de a energia térmica
permite excitar alguns elétrons através de
, gerando portadores de carga suficientes para condução controlada.
Esses valores estão justamente na faixa intermediária. A uma temperatura de
Passo 4
Por terem uma lacuna de banda nem nula nem muito grande, silício e GaAs comportam-se como semicondutores: em condições normais conduzem eletricidade moderadamente e permitem controlar o fluxo de elétrons com dopagem, temperatura ou radiação.
Resposta
Silício e GaAs são semicondutores porque apresentam uma lacuna de energia de tamanho moderado
–
, o que permite excitar uma quantidade controlada de elétrons da banda de valência para a banda de condução à temperatura ambiente.