constituição atómica da matéria

Eletrônica I

Gustavo Fabro de Azevedo

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Constituição da Matéria

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A matéria pode ser encontrada no estado sólido, liquido ou gasoso é constituída por moléculas e estas podem ainda ser subdivididas em partículas menores que são os átomos.

Exemplo:1 molécula de água

2 átomos de hidrogénio 1 átomo de oxigénio

H2O H2 + O

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O que é um ÁTOMO? ...

Segundo o Modelo

atômico de Bohr, o átomo

é um elemento químico

que compõem a molécula

formado por...10/04/23 3

ELÉTRONSNÍVEIS DE ENERGIA NÚCLEO

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Quais as partículas que compõem o átomo?

Elétrons...

Prótons...

Nêutrons...10/04/23 gustavoazevedo@pelotas.ifsul.edu.br 4

Estrutura do Átomo

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Órbita electrónica

O átomo é basicamente formado por três tipos de partículas elementares: elétrons, prótons e nêutrons.

Os prótons e os nêutrons estão no núcleo do átomo e os elétrons giram em órbitas eletrônicas em volta do núcleo do átomo.

O número de elétrons, prótons e nêutrons é diferente para cada tipo de elemento.

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Carga Elétrica das Partículas

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A carga elétrica do elétron é igual à carga do próton, porém de sinal contrário: o elétron possui carga negativa (-) e o próton carga elétrica positiva (+).

O nêutron não possui carga elétrica, isto é, a sua carga é nula.

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Órbitas Eletrônicas

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Num átomo, os elétrons que giram em volta do núcleo distribuem-se em várias órbitas ou camadas electrónicas num total máximo de sete (K, L, M, N, O, P, Q).

Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita. Assim, um elétron da órbita Q tem mais energia que um elétron da órbita P.

O mesmo ocorre com os prótons, aqueles que possuem maior energia estão situados nas órbitas mais externas.

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As condições de estabilidade dos elétrons em determinadas órbitas fazem com que em cada uma delas seja possível um número máximo de elétrons como mostrado abaixo.

K=2 L=8 M=18 N=32 O=32 P=18 Q=2 Número máximo de elétrons por camada.

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Segundo o Modelo Atômico de Bohr...

Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem definidos, conhecidos

como camadas

K L M N O P Q cada camada terá um

número máximo de elétrons:

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K L M N O P Q

2 8 18 32 32 18 8

IonizaçãoO átomo altera as suas características elétricas por meio da ionização: perdendo elétrons, o

átomo torna-se um íon positivo ou cátion; ganhando elétrons

torna-se um íon negativo ou ânion.

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Íons positivos e Íons negativos

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Um átomo quando eletricamente neutro poderá ganhar (receber) ou perder (ceder) elétrons.

Quando ele ganha um ou mais elétrons, dizemos que se transforma num íon negativo.

Quando um átomo perde um ou mais elétrons, dizemos que ele se transforma num íon positivo.

Exemplo: Se o átomo de sódio (Na) ceder um elétron ao átomo de cloro (Cl) passamos a ter um íon positivo de sódio e um íon negativo de cloro.

Cl Na+- íon positivo

de sódioíon negativo de cloro

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Elétrons de Valência

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A última órbita de um átomo ou camada mais afastada do núcleo define a sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes.

Os elétrons dessa camada são chamados de elétrons de valência.

Ligações Covalentes: compartilhamento dos elétrons da última órbita com os da última órbita de outro átomo.

Num átomo, o número máximo de elétrons de valência é de oito.

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Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo.

Isso ocorre porque eles têm uma energia maior e também estão a uma distância maior em relação ao núcleo do átomo, a força de atração é menor.

São estes elétrons livres que, sob a ação de um capo elétrico formam a corrente elétrica.

Quando um átomo tem oito elétrons de valência diz-se que o átomo tem estabilidade química ou molecular.

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No campo da eletrônica, dentre os diversos materiais usados, encontramos os SEMICONDUTORES, que possuem características intermediárias entre os condutores e os isolantes.

Os materiais semicondutores mais utilizados são o SILICIO (Si) e o GERMÂNIO (Ge) que na sua forma pura (intrínseca) apresentam uma estrutura cristalina, tendo quatro elétrons na camada de valência, sendo por isso considerados TETRAVALENTES.

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Bandas de Energia

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O fato das órbitas estarem a distâncias bem-definidas em relação ao núcleo do átomo, faz com que entre uma órbita e outra exista uma região onde não é possível existir elétrons, denominada banda proibida.

O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material.

Energia

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Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo, muita tensão elétrica) para passar os elétrons da banda de valência para a banda de condução já que a banda proibida é muito larga.

Pelo contrário, num material condutor a passagem dos elétrons da banda de valência para a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida.

Os materiais semicondutores estão numa situação intermédia entre os materiais isoladores e condutores.

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Surgimento da Lacuna ou Buraco

Quando um elétron se torna livre, ao romper uma ligação covalente, cria-se um buraco ou uma lacuna.

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Surgimento da lacuna ou Buraco, no espaço de onde

um elétrons se libertou

Formação de uma carga positiva aparente (lacuna, buraco)

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Formação de uma carga positiva Formação de uma carga positiva aparente (lacuna, buraco)aparente (lacuna, buraco)

Quando um elétron abandona uma ligação covalente, fica faltando nesse lugar uma carga elétrica negativa,

constituindo-se uma lacuna, que pode ser considerada uma partícula autônoma, carregada positivamente.

A lacuna é uma partícula fictícia, de propriedades análogas às do elétron, mas de carga positiva (+).

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Movimento “dirigido” de um elétron livre sob a ação de um

campo elétrico. Com o cristal sujeito a ação de

um campo elétrico, os elétrons livres se deslocarão em sentido oposto, criando uma orientação

predominante, o que significa um “transporte” de cargas elétricas e com isso uma corrente elétrica.

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Condutores x Isolantes Os materiais condutores são

formados por átomos cujos elétrons da órbita de valência estão fracamente ligados ao

núcleo, de modo que a temperatura ambiente tem

energia suficiente para arrancá-los da órbita, tornando-os livres.

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Condutores

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Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência).

Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron (elétron livre).

Número atómico do cobre = 29 (número total de elétrons no átomo)

K=2 2n2 = 2x12 = 2L=8 2n2 = 2x22 = 8M=18 2n2 = 2x32 = 18N=1

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Isolantes

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Os átomos que têm entre 5 e 8 elétrons de valência não cedem facilmente elétrons já que a sua camada de valência está quase completa (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência).

O vidro, a mica, a borracha estão neste caso.

Estes materiais não são condutores da corrente elétrica porque não têm elétrons livres sendo necessário aplicar-lhes uma grande energia para passar os elétrons de banda de valência para a banda de condução.

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Semicondutores

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Os átomos com 4 elétrons de valência geralmente não ganham nem perdem elétrons, é o que acontece com os materiais semicondutores, Germânio (Ge) e Silício (Si).

Número atómico do Germânio: 32

K=2, L=8, M=18 e N=4.

Número atómico do Silício: 14

K=2, L=8 e M=4.

Existem vários tipos de semicondutores. Os mais comuns são o silício (Si) e o germânio (Ge).

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Representação plana das ligações do Si

Os materiais como Si, Ge, Arseneto de Gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP) são chamados de semicondutores intrínsecos ou puros pois encontram-se em seu estado natural.

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A Partir do SEMICONDUTOR INTRÍNSECO, podemos formar os SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS, adicionando impurezas, ou seja outros materiais, por um processo conhecido como dopagem.

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DopagemAltera a resistividade do material;

Substituição de um átomo de Silício por átomos de impurezas dopantes;

Átomos chamados trivalentes ou aceitadores são usados para criar camadas com predominância de buracos, ou tipo P.

Átomos chamados pentavalentes ou doadores são sados para criar camadas com predominância de elétrons, ou tipo N.

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“Impurezas” para dopagem Exemplos de impurezas para

dopagem no silício:

Tipo P:

Boro (B), Alumínio (Al) e Gálio (Ga).

Tipo N:

Fósforo (P), Arsênio (As) e

Antimônio (Sb).10/04/23 28gustavoazevedo@pelotas.ifsul.edu.br

Oscilações térmicas da estrutura cristalina intrínseca do Si ou Ge a

T > 0º K Como conseqüência do acréscimo de temperatura

(energia térmica), os átomos e os elétrons vibram em torno de suas posições de repouso, provocando a liberação dos elétrons de suas ligações

covalentes surgindo assim os - elétrons livres

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Surgimento da Lacuna ou Buraco

Quando um elétron se torna livre, ao romper uma ligação covalente, cria-se um buraco ou uma lacuna.

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Surgimento da lacuna ou Buraco, no espaço de onde

um elétrons se libertou

Formação do Cristal de Silício tipo “N”.

Com o acréscimo de um elemento do grupo V da

Tabela Periódica (pentavalente - 5 elétrons

na camada de valência, ou doador), na estrutura do

Silício intrínseco vamos ter elétrons livres em excesso

(carga negativa) formando-se o silício tipo “N” ou de

dopagem “N”.

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Semicondutores tipo NSilício tipo N

elétron

Silício

Elétronlivre

Dopantepentavalente

Íonpositivo

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Formação do Cristal de Silício tipo “P”.

Com o acréscimo de um elemento do grupo III da Tabela

Periódica(trivalente- 3 elétrons na camada de valência, ou receptor), na estrutura do Silício intrínseco vamos ter a falta de elétrons livres em uma

ligação,

Originando-se uma lacuna ou buraco (carga positiva) formando-se o silício tipo “P”, ou de dopagem “P.”

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elétron

Silício

Buracolivre

Dopantetrivalente

Íonnegativo

Semicondutores tipo P

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Silício tipo P

Condução no material semicondutor tipo “P” ou

“N”. Quando aplicamos

uma tensão através de um semicondutor, tipo P ou N ocorre uma condução pelo movimento de elétrons e lacunas.

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Condução de Elétrons e Lacunas no material semicondutor tipo “P” ou

“N”.

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Condução no material semicondutor tipo “P” ou “N”.

Os elétrons (cargas negativas) são atraídos pela tensão positiva e repelidos pela tensão negativa.

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Condução no material semicondutor tipo “P” ou

“N”. As lacunas (cargas

positivas) se movimentam no sentido oposto ao dos elétrons.

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Condução no material semicondutor tipo “P” ou

“N”. As lacunas são atraídas

pela tensão negativa e repelidos pela tensão positiva.

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