Introdução a física dos semicondutores
D esde a invenção do transistor, o estudo da Eletrônica tem-se concentrado cada vez mais no projeto e utilização dos dispositivos semicondutores. Em conseqüência, passou-se a exigir do estudante de Eletrônica um conhecimento das propriedades básicas da matéria que até então não era realmente necessário para sua profissão.
Ao mesmo tempo, o estudo dos materiais semicondutores foi incluído no currículo das escolas de Física, como uma aplicação de grande interesse prático dos conceitos abstratos da Física do Estado Sólido.
Neste livro, que foi escrito tendo em vista tanto os estudantes de Eletrônica como os de Física, procuramos relacionar as propriedades básicas dos dispositivos semicondutores aos conceitos fundamentais da Mecânica Quântica e da Física do Estado Sólido.
O Cap. 1 é uma introdução histórica à teoria eletrônica da matéria; as noções fundamentais de Mecânica Quântica são apresentadas no Cap. 2.
No Cap. 3 são discutidas duas aplicações importantes da Mecânica Quântica: o estudo da estrutura eletrônica dos átomos e o estudo do Gás de Fermi.
Os conceitos de cristalografia necessários ao estudo dos sólidos são expostos no Cap. 4; no Cap. 5, estudamos a aplicação dos princípios de Mecânica Quântica a um sólido cristalino, surgindo naturalmente o conceito de faixas de energia permitidas e faixas proibidas.
O Cap. 6 é dedicado ao estudo das propriedades básicas dos materiais semicondutores; nesse capítulo são definidos e discutidos os conceitos de ligação covalente, buraco, recombinação, impureza, energia de ionização e massa efetiva.
As distribuições estatísticas, essenciais para a compreensão dos fenômenos coletivos nos sólidos, são examinadas no Cap. 7; no Cap. 8, a distribuição de Fermi-Dirac é aplicada a um material semicondutor, como meio para calcular as concentrações de elétrons e buracos.
O Cap. 9 trata dos fenômenos de transporte nos semicondutores, introduzindo os conceitos de mobilidade e difusão.
Os Caps. 10 e 11 mostram que os conceitos desenvolvidos nos capítulos anteriores podem ser aplicados diretamente aos dois dispositivos semicondutores mais usados na prática: os diodos semicondutores (Cap. 10) e os transistores de junção (Cap. 11).
O Cap. 12 trata de alguns fenômenos importantes que não foram discutidos nos capítulos anteriores: Luminescência, Efeito Túnel e Efeito Hall.
O Teorema de Bloch, essencial para a compreensão dos fenômenos de condução nos sólidos, é demonstrado no Apêndice A; o Apêndice B é uma lista de referências a experiências simples que ilustram os fenômenos estudados neste livro.
No final de cada capítulo, o leitor encontrará uma série de exercícios. As respostas ou sugestões para alguns exercícios -assinalados com um asterisco se encontram no final do livro.
Queremos expressar nossos agradecimentos a todos que colaboraram conosco, em especial ao físico Luiz TeImo Auler por seus comentários e sugestões, ao Sr. Luis Antonio Costa Ferreira pela cuidadosa execução das ilustrações, e à Sra. Eneida A. Mendonça pelo excelente trabalho de datilografia dos originais.