Semicondutores


Graças aos semicondutores, foi possível a fabricação e desenvolvimento de muitos dos componentes existentes hoje na eletrônica moderna. Nessa lista temos os diodos, transistores, circuitos integrados e diversos outros componentes que se baseiam nas propriedades dos semicondutores.

 

Como o próprio nome já evidencia, podemos compreender os semicondutores como um material de propriedades intermediárias, ou seja, entre os isolantes e os condutores. Entre os principais materiais utilizados, pode-se citar os elementos químicos Germânio (Ge) e Silício (Si). Vamos agora analisar o comportamento destes materiais. Atualmente o Silício é o principal elemento empregado na fabricação de semicondutores.

Estrutura

 

Para compreendermos o a disposição destes materiais, necessitamos conhecer a estrutura atômica dos elementos envolvidos. Como base, vamos analisar um átomo de Silício. O Silício possui 4 elétrons em sua última camada, conhecidos como elétrons de valência.

 

Os átomos se dispõem de modo que formam uma estrutura cristalina. Assim, cada átomo nesta estrutura, compartilha seus 4 elétrons com o átomo vizinho, onde assim tem-se 8 elétrons na sua órbita de valência. Observe a figura abaixo.

 

Figura1

Figura 1 – Estrutura com átomos de Silício

Essa integração entre os elétrons, resulta em uma estrutura muito estável. Em função dos elétrons encontrarem essa dificuldade de movimentação entre os átomos na sua estrutura, isso torna-se uma barreira para a corrente elétrica.

 

Dopagem

 

Neste ponto entramos no processo de dopagem. Ou seja, podemos alterar as propriedades da condutividade elétrica do elemento, se adicionarmos impurezas a esses materiais. Desta forma, não teremos mais os 4 elétrons na última camada. Vamos analisar agora estas possibilidades.Considere dois casos particulares a seguir.

 

– Elementos Pentavalentes:

Átomos que possuem 5 elétrons na sua última camada. Neste caso o que será efetuado é o aumento de elétrons livres, porque como teremos 5 elétrons na camada de valência, e somente 8 podem ficar nesta órbita, ao combinar com os 4 elétrons do Silício, teremos um elétron livre.

Para ficar mais claro, considere um elemento pentavalente, Arsênico ou Fósforo por exemplo.

 

Figura 2 - Elétron livre

Figura 2 – Elétron livre

 

– Elementos Trivalentes:

Átomos que possuem 3 elétrons na sua última camada. Neste caso o que será efetuado é o aumento do número de lacunas, porque teremos 3 elétrons na camada de valência, compartilhando com os átomos de Silício, teremos um total de 7 elétrons ao invés de 8, ficando assim uma lacuna na órbita de valência.

Para ficar mais claro, considere um elemento trivalente, Boro ou Índio, por exemplo. Observe a figura abaixo.

 

Figura3

Figura 3 – Lacuna

 

Agora vamos entender o significado de tudo isso.

Observe que na primeira situação temos elétrons livres. O que acontece é que este elétron livre do átomo, pode se movimentar ao longo da estrutura. Esses elétrons são portadores de cargas, e isso possibilita a circulação de uma corrente elétrica. Esse tipo de elemento é conhecido como semicondutor tipo N, de negativo, em função dos portadores majoritários serem os elétrons.

 

Na segunda situação temos lacunas disponíveis. O que podemos compreender disso, é que elas podem receber os elétrons que se deslocam através do material. Esse tipo de elemento é conhecido como semicondutor tipo P, de positivo, em função dos portadores majoritários serem as lacunas.

 

Junção PN

 

Desta forma, ao juntar um material semicondutor do tipo P com outro do tipo N, temos uma junção PN. Esta junção possui então propriedades elétricas que permitiram a fabricação de todos os dispositivos semicondutores que conhecemos.

 

Figura4

Figura 4 – Material PN

 

Como já vimos anteriormente, o material tipo N possui excesso de elétrons, e o material tipo P possui as lacunas. Nesta junção semicondutora, os elétrons tendem a se deslocar até o material tipo P, procurando se recombinar com as lacunas. Neste instante há uma tensão que se manifesta entre as duas regiões.

 

Esta tensão pode ser compreendida como uma barreira de potencial e depende da natureza do material. Para o Germânio por exemplo, esse valor fica em torno de 0,3 V, e para o Silício de 0,7 V.

 

Figura5

Figura 5 – Material PN

 

A partir disso tem-se um material com importantes propriedades elétricas, que compreendem os semicondutores e se torna a base para o surgimento de diversos componentes da eletrônica. Nos próximos artigos veremos alguns desses componentes que são amplamente utilizados.

 

 

 

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