Sobre os defeitos eletrônicos:
Explique detalhadamente como a presença de defeitos eletrônicos influencia a condutividade de materiais semicondutores.
Explique detalhadamente como a presença de defeitos eletrônicos influencia a condutividade de materiais semicondutores.
Passo 1
O enunciado pede para explicar como a presença de defeitos eletrônicos modifica a condutividade em semicondutores. O conteúdo está em Física do Estado Sólido e Eletrônica de Semicondutores. Para resolver, precisamos 1) recordar a definição de condutividade elétrica em semicondutores, 2) entender os tipos de defeitos eletrônicos e os níveis de energia que eles introduzem, 3) analisar como esses níveis afetam a concentração de portadores livres e sua mobilidade.
Passo 2
A condutividade elétrica de um semicondutor é dada pela soma das contribuições dos elétrons e lacunas:
onde
é a condutividade,
é a carga elementar,
e
são as concentrações de elétrons e lacunas, respectivamente, e
,
são as mobilidades correspondentes.
Passo 3
Defeitos eletrônicos em semicondutores incluem vacâncias, intersticiais, átomos substitucionais (impurezas), e defeitos estendidos (dislocações). Cada um pode introduzir níveis de energia dentro da band gap. Níveis próximos à banda de condução ou de valência são chamados de rasos (shallow) e atuam como doadores ou aceitadores, enquanto níveis profundos (deep) funcionam como armadilhas e centros de recombinação.
Passo 4
Níveis rasos alteram a concentração de portadores ao doar ou aceitar elétrons: um defeito doador do tipo n aumenta
, enquanto um aceitador aumenta
. Níveis profundos capturam portadores livres, reduzindo
e
em regime estacionário. Esse processo de captura e emissão impõe uma taxa de recombinação não radiativa que age segundo o modelo de Shockley–Read–Hall, diminuindo a densidade de portadores livres efetivos.
Passo 5
Além de modificar a concentração de portadores, defeitos atuam como centros de espalhamento, degradando a mobilidade. Pela regra de Matthiessen, a mobilidade total satisfaz
onde
representa o espalhamento por defeitos. Quanto maior a densidade de defeitos, menor
.
Passo 6
Combinando os efeitos de redução na concentração de portadores (por armadilhas e recombinação) e de queda na mobilidade (por espalhamento), a condutividade
reduz-se fortemente em materiais com muitos defeitos profundos. Só em situações de dopagem controlada (níveis rasos) a condutividade pode aumentar de forma desejada.
Resposta
A presença de defeitos eletrônicos introduz níveis de energia que podem doar ou capturar portadores, alterando as concentrações
e
, e simultaneamente cria centros de espalhamento que diminuem as mobilidades
e
. Pelo efeito combinado desses mecanismos, a condutividade
em geral diminui na presença de defeitos profundos, enquanto níveis rasos bem controlados podem aumentar a condutividade ao fornecer portadores livres.