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, E_g.
  • Se E_g\approx 0, elétrons fluem livremente e o material é condutor.
  • Se E_g é muito grande (tipicamente >3\\ \text{eV}), poucos elétrons saltam da valência para a condução, e o material é isolante.
  • Se E_g é intermediário (cerca de 0{,}5 a 3\\ \text{eV}), 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: \,E_{g,\text{Si}}\approx1{,}12\\ \text{eV} \,E_{g,\text{GaAs}}\approx1{,}42\\ \text{eV}
Esses valores estão justamente na faixa intermediária. A uma temperatura de 300\\ \text{K} a energia térmica k_BT\approx0{,}026\\ \text{eV} permite excitar alguns elétrons através de E_g, gerando portadores de carga suficientes para condução controlada.

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 E_g\sim1 1{,}5\\ \text{eV}, o que permite excitar uma quantidade controlada de elétrons da banda de valência para a banda de condução à temperatura ambiente.

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