Constituição atómica da matéria

Eletrônica I
Gustavo Fabro de Azevedo
gustavoazevedo@pelotas.ifsul.edu.br
1

Constituição da Matéria
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:
2 átomos de
1 molécula de
hidrogénio 1 átomo de oxigénio
água

H2O ⇒ H2 + O

19/02/13 gustavoazevedo@pelotas.ifsul.edu.br 2

O que é um ÁTOMO? ...
NÍVEIS DE
ENERGIA ELÉTRONS
NÚCLEO

Segundo o Modelo
atômico de Bohr, o átomo
é um elemento químico
que compõem a molécula
formado por...
19/02/13 3

Quais as partículas que compõem o átomo?

 Elétrons...

 Prótons...

 Nêutrons...

Estrutura do Átomo
O átomo é basicamente
formado por três tipos de partículas
elementares: elétrons, prótons e
nêutrons.
Os prótons e os nêutrons
Órbita electrónica 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.

Carga Elétrica das Partículas
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.
6

Órbitas Eletrônicas

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.
7

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.
8

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
K L M elétrons:
N O P Q
2 8 18 32 32 18 8


Ionização
O 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.

Íons positivos e Íons negativos
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.
íon negativo íon positivo
de cloro
Cl- N+
a
de sódio

11

Elétrons de Valência
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.
12

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.

13

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.


Bandas de Energia
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

15

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.

16

Surgimento da Lacuna ou Buraco

Quando um elétron se
torna livre, ao romper
uma ligação covalente,
cria-se um buraco ou
Surgimento da lacuna ou
uma lacuna. Buraco, no espaço de onde
um elétrons se libertou

19/02/13 gustavozazevedo@pelotas.ifsul.edu.br 17

Formação de uma carga positiva aparente
(lacuna, buraco)


Formação de uma carga positiva
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 (+).


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.


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.


Condutores
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 = 2
L=8 2n2 = 2x22 = 8
M=18 2n2 = 2x32 = 18
N=1 22

Isolantes
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.
23

Semicondutores
Existem vários tipos de semicondutores. Os mais comuns
são o silício (Si) e o germânio (Ge).
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.
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).
24

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.
25

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


Dopagem
 Altera 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.


“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

19/02/13
Antimônio (Sb).
gustavoazevedo@pelotas.ifsul.edu.br 28

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

Surgimento da Lacuna ou
Buraco

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

Semicondutores tipo N
Silício tipo N
Elétron
livre

Silício

elétron
Íon
positivo

Dopante
pentavalente

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.”

Semicondutores tipo P
Silício tipo P

Buraco
livre Silício

elétron
Íon
negativo

Dopante
trivalente

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.

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



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



 As lacunas (cargas
positivas) se
movimentam no
sentido oposto ao dos
elétrons.



 As lacunas são atraídas
pela tensão negativa e
repelidos pela tensão
positiva.


Constituição atómica da matéria

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Destaque

Semelhante a Constituição atómica da matéria

Último

Constituição atómica da matéria