Semicondutores: Propriedades e Aplicações

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Você sabia que o nível atômico de um material define suas propriedades de ser condutor, 
isolante ou semicondutor de eletricidade?
Os materiais semicondutores compõem a maioria dos componentes eletrônicos, tais como 
diodos, transistores e também os circuitos integrados. O princípio de funcionamento destes 
componentes é referenciado de acordo com as propriedades do material que o constitui. Neste 
capítulo, você irá conhecer os principais elementos semicondutores, sua estruturação atômica 
e onde a presença de elétrons e lacunas define o comportamento dos componentes citados 
anteriormente.
Quimicamente, todo material pode sofrer alterações em sua estrutura. Este processo é 
caracterizado por inserir elementos chamados de impurezas, que modificam a estruturação de 
elétrons e lacunas dos semicondutores, podendo estes serem compartilhados entre os átomos. 
Neste capítulo, você irá estudar a diferença entre semicondutores intrínsecos e extrínsecos. 
Esses conceitos estão atrelados aos semicondutores quanto à definição do excesso de elétrons 
e lacunas, que podem caracterizar os elétrons como portadores majoritários e as lacunas como 
portadoras minoritárias em um semicondutor.
Assim, ao final deste capítulo, você terá subsídios para:
a) analisar diagramas e esquemas de circuitos analógicos;
b) dimensionar componentes eletrônicos de acordo com especificações técnicas;
c) aplicar procedimentos de testes aos componentes e circuitos.
A partir de agora, você terá a oportunidade de conhecer diversos temas sobre esse assunto 
que farão a diferença em suas práticas. 
Bons estudos!
Semicondutores
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS ANALÓGICOS20
2.1 CRISTAIS DE SILÍCIO
Atualmente, os cristais de silício são elementos de suma importância para o desenvolvimento de 
equipamentos e dispositivos eletroeletrônicos. Essa característica é dada pela sua formação atômica, 
conforme figura a seguir. 
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Camada de Valência
Elétrons 
Núcleo
Figura 1 - Átomo de silício com quatro elétrons na camada de valência
Fonte: adaptado de Malvino (1995) 
É possível observar que esse átomo é formado por 14 prótons e 14 elétrons, ou seja, partindo do 
núcleo, têm-se uma camada com 2 elétrons, outra com 8 elétrons e, por fim, a camada de valência com 4 
elétrons. Desta forma, um átomo de silício é chamado de átomo quatro, caracterizando-o como material 
semicondutor, pois possui quatro elétrons na camada de valência, se comparado aos materiais condutores 
que possuem apenas um elétron na camada de valência e aos materiais isolantes, que possuem 8 elétrons 
na camada de valência.
A estruturação de um átomo está relacionada a três elementos principais:
a) prótons: cargas positivas ligadas ao núcleo do átomo;
b) nêutrons: sem valor de carga, podendo estar ou não ligados ao núcleo;
c) elétrons: cargas negativas dispersas nas camadas ou órbitas do átomo.
A quantidade de quatro elétrons na camada de valência é dada como característica única nos 
semicondutores, sendo, assim, comparado com os diversos elementos existentes na natureza. O germânio 
e o silício são materiais que se enquadram como semicondutores. 
G
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 O
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bu
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2 SEMICONDUTORES 21
 CASOS E RELATOS
Os semicondutores e a temperatura
O silício e o germânio são os mais importantes semicondutores utilizados para fabricação de 
diferentes tipos de componentes eletrônicos. Mas, qual a característica principal que diferencia estes 
elementos de um material condutor ou isolante de eletricidade? Essa pergunta está diretamente 
associada aos níveis de temperatura sobre estes elementos, cuja relação pode resultar no aumento 
significativo de condutividade de um material.
Durante a aula de eletrônica, o professor Francisco explicou que existem materiais com excelente 
propriedade de conduzir eletricidade e outros com a propriedade de serem isolantes. Nesta 
explicação, afirmou ainda que existe outro tipo de material com propriedades únicas, que são 
classificados entre condutores e isolantes, denominados de materiais semicondutores. Diante 
destas afirmações, o professor enfatizou que, a baixas temperaturas, os semicondutores possuem 
a característica de serem isolantes. Comentou também que estes materiais adquirem energia 
térmica com o aumento dos níveis de temperatura.
Essa característica normalmente é típica dos semicondutores puros, ou seja, um material 
semicondutor, antes isolante, pode se tornar também condutor de eletricidade. Com base nestas 
afirmações, os alunos compreenderam que o silício e o germânio, quando puros e submetidos 
a diferentes níveis de temperatura, apresentam comportamento distintos, que, dependendo da 
energia térmica, são considerados condutores ou isolantes de eletricidade.
Para efeitos de comparação entre os dois principais semicondutores, componentes semicondutores 
de silício podem operar em temperaturas elevadas, próximas a 200 °C. Já os fabricados de germânio são 
limitados a temperatura de 100 °C.
O núcleo do átomo de germânio é composto de 32 prótons. Inicialmente, este material era utilizado com 
frequência, porém, com o avanço da popularização do silício e sua abundância na natureza, o germânio 
tornou-se um material de custo elevado, sendo utilizado em aplicações eletrônicas militares e na fabricação 
de circuitos integrados.
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A tabela, a seguir, apresenta algumas características dos semicondutores germânio (Ge) e silício (Si).
PROPRIEDADES GE SI
Número atômico 32 14
Peso atômico 72,6 28,1
Densidade, g/cm³ 5,32 2,33
Constante dielétrica (relativa) 16 12
Átomos/cm³ 4,4 x 10²² 5,0 x 10²²
Resistividade Intrínseca, Ω-cm, a 300 K 45 230000 
Tabela 1 - Propriedades dos semicondutores germânio e silício
Fonte: adaptado de Millman (1981)
A formação de um cristal sólido é feita quando um átomo de silício isolado se junta a outro, ou seja, 
caracterizando assim o compartilhamento de elétrons, denominado ligação covalente, em que cada átomo 
isolado cede um elétron para o outro, e assim sucessivamente, respeitando a camada de valência de modo 
que o compartilhamento totalize oito elétrons sobre um átomo, sendo quatro adicionais. 
Os elétrons estão distribuídos em níveis, conhecidos também como camadas K, L, M, 
N, O, P e Q. Pesquise em sites na internet a respeito do número máximo de elétrons por 
camada.
 SAIBA 
 MAIS
O compartilhamento de elétrons de um átomo isolado com átomos adjacentes é representado na figura, 
a seguir. A partir dessa representação, é possível compreender os átomos de cristal unidos, compondo 
assim um cristal sólido de silício. 
Si Si Si
Si Si Si
Figura 2 - Ligação covalente para formação de cristal sólido de silício
Fonte: SENAI (2016)
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A junção dos átomos antes isolados é dada pelo par de elétrons que são atraídos com forças iguais, 
porém opostas entre eles, ou seja, um átomo cede um elétron e ao mesmo tempo recebe, caracterizando 
uma força de atração, além de sustentar os átomos de silício agora agrupados pelos elétrons de ligação. 
Átomos com oito elétrons na camada de valência são considerados quimicamente estáveis, tendo como 
característica a saturação, pois sua camada de valência não permite mais de oito elétrons em sua órbita.
Fixos pelos átomos, os elétrons de ligação, quando submetidos a determinada temperatura, podem 
apresentar características únicas aos cristais de silício semicondutores intrínsecos. Acompanhe o estudo 
sobre eles na próxima seção.
2.2 SEMICONDUTOR INTRÍNSECO 
Um semicondutor que contenha apenas átomos de silício é chamado de semicondutor intrínseco. 
Quando um semicondutor em sua composição conter apenas um elemento, ele é denominado intrínseco, 
pois é puro. Desta forma, o cristal de silício mantém-se estável com oito elétrons na camada de valência a 
uma temperatura ambiente, próximo de 25 °C, comportando-se como um material isolante. 
Quando submetido ao aumento da temperaturaambiente, mais precisamente acima de zero absoluto 
(-273 °C), ocorre a agitação dos átomos do cristal de silício, fazendo com que os átomos vibrem. Como 
efeito desta agitação dos átomos, ocasionalmente pode fazer com que um elétron se solte da camada de 
valência e se desloque para uma camada maior, caracterizando-se como um elétron livre, denominado 
portador intrínseco.
O índice de vibrações dos átomos é correspondente ao nível de temperatura. Desta forma, quanto 
maior a incidência de temperatura sobre o condutor, maiores serão suas vibrações. A liberação de elétron 
para outra órbita é representada pela figura, a seguir.
Si Si Si
Si Si Si
Elétron
livre
Figura 3 - Elétron livre deslocado para outra órbita devido à agitação dos átomos
Fonte: SENAI (2016)
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O deslocamento de elétrons para outra órbita admite um vazio na camada de valência, surgindo então 
uma lacuna. Essa lacuna possui um comportamento característico de cargas positivas, ou seja, comporta-
se atraindo elétrons livres. Desta forma, um elétron livre, ao sair de uma camada de valência, é atraído para 
uma lacuna de outro átomo, e assim sucessivamente, ocasionando o fluxo de elétrons livres pelas lacunas.
A variação térmica pode deslocar elétrons para outra órbita, sendo então um elétron 
livre. A movimentação de elétrons livres é temporária e muito rápida antes que ele 
seja atraído por uma lacuna. Da geração de um elétron livre até sua aproximação com 
uma lacuna, o elétron possui um tempo de vida, que pode variar de nanossegundos 
até microssegundos. O tempo de vida é dependente de diversos fatores, tais como 
do nível de pureza do cristal.
 CURIOSI 
 DADES
Leia, a seguir, a característica que os elétrons e lacunas recebem devido ao fluxo de elétrons dentro de 
um semicondutor.
2.3 PORTADORES DE CORRENTE (ELÉTRONS LIVRES E LACUNAS)
O fluxo de elétrons e lacunas dentro de um semicondutor caracteriza os elétrons e lacunas como 
portadores de corrente. Suponha um cristal de silício posicionado entre dois terminais carregados, um 
positivamente e outro negativamente. Assim, os elétrons livres são atraídos pelo terminal positivo, gerando 
um fluxo de elétrons no sentido positivo, sendo que as lacunas atraem os elétrons. Dessa forma, tem-se 
então o fluxo contínuo de elétrons e lacunas dentro do semicondutor, pois as lacunas irão se mover em 
sentido oposto, sendo cargas positivas atraídas pelo terminal negativo. A figura, na sequência, retrata o 
fluxo de elétrons e lacunas em determinado semicondutor.
Elétrons
Lacunas
Figura 4 - Fluxo de elétrons e lacunas em determinado semicondutor
Fonte: SENAI (2016)
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Deste modo, existem dois tipos de fluxos de corrente: o fluxo de elétrons, em que os elétrons livres 
se movimentam na camada de condução; e o fluxo de lacunas, em que as lacunas se movimentam na 
camada de valência dos átomos. Como a quantidade de elétrons livres é igual a quantidade de lacunas, 
estes recebem o nome de portadores de corrente, pois conduzem cargas iguais para ambos os sentidos. 
Conheça, a seguir, a técnica para aumentar a capacidade de condutibilidade de um material 
semicondutor.
2.4 DOPAGEM E JUNÇÃO PN 
A dopagem é caracterizada como um processo químico e físico para alterar as características de 
condutibilidade dos semicondutores. Esta técnica adiciona impurezas ao cristal intrínseco, ou seja, adiciona 
outros elementos em sua composição. Para dopar um semicondutor, é necessário quebrar suas ligações 
covalentes, ou seja, transformá-lo do estado sólido para o estado líquido, sendo o semicondutor cristal de 
silício fundido.
A dopagem consiste em aumentar as quantidades de elétrons livres e lacunas em um semicondutor 
antes intrínseco (puro). Com o processo de dopagem, passa a ser chamado de semicondutor extrínseco.
O aumento de lacunas acontece de modo a dopar o átomo de silício com elemento trivalente, que 
tenha três elétrons na camada de valência, sendo caracterizado como semicondutor tipo P, em que P 
está relacionado a positivo. Nesse tipo de dopagem, o átomo de silício tem apenas três elétrons para fazer 
ligação covalente formando lacunas. Como o número de lacunas é maior, elas são chamadas de portadoras 
majoritárias e os elétrons de portadores minoritários.
Na figura, a seguir, observa-se a dopagem nos cristais de silício, adicionando o elemento trivalente boro 
B.
Elemento Boro B
Camada de Valência
Silício Si
Lacuna
Elétrons
compartilhados
Si
Si
Si
Si
Si
Si SiB
B
Figura 5 - Adição do átomo trivalente boro B ao silício
Fonte: adaptado de Texas Instruments Incorporated (2016)
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Já o aumento de elétrons livres consiste na adição de um elemento pentavalente ao átomo de 
silício, ou seja, um elemento com cinco elétrons na camada de valência. Os átomos de silício farão as 
quatro ligações covalentes e ainda restará um elétron livre. Então, tem-se um semicondutor com excesso 
de elétrons, caracterizando os elétrons como portadores majoritários e as lacunas como portadoras 
minoritárias. Semicondutores com essas características são chamados semicondutores tipo N, sendo N 
relacionado ao negativo. De acordo com a figura a seguir, pode-se observar a dopagem nos cristais de 
silício, em que ocorre a adição do elemento pentavalente Antimônio Sb.
Elemento Antimônio Sb
Camada de Valência
Silício Si
Elétron livre
Elétrons
compartilhados
Si
Si
Si
Si
Si
Si SiSb
Sb
Figura 6 - Adição do átomo pentavalente antimônio Sb ao silício
Fonte: adaptado de Texas Instruments Incorporated (2016) 
A junção PN é caracterizada pela dopagem de um cristal de forma que exista uma extremidade do tipo 
P e outra extremidade do tipo N, ou seja, a junção PN.
Um semicondutor de junção PN é considerado eletricamente neutro quando a quantidade de lacunas e 
elétrons livres forem iguais, caracterizando uma junção estável. Desta forma, conforme a adição de átomos 
trivalentes e pentavalentes nos semicondutores, tem-se em sua composição o aumento de lacunas e 
elétrons, respectivamente.
Como visto anteriormente, cada átomo pentavalente em um cristal de silício fornece um elétron livre 
ao semicondutor do tipo N. Já nos semicondutores do tipo P, a adição de átomos trivalentes em cristais de 
silício gera uma lacuna na camada de valência. Ou seja, quando realizada a junção destes dois tipos, ocorre a 
repulsão dos elétrons livres que compõem o semicondutor N, difundindo-se por meio da junção na direção 
da região P. Logo, quando o elétron atravessa para outra região, ele passa a ser portador minoritário. 
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Como existem diversas lacunas, o elétron rapidamente é absolvido, caracterizando-o como um elétron 
da camada de valência, ou seja, íon negativo, conforme pode ser observado na sequência. 
Átomo trivalente
Lacunas
P
Elétrons
Átomo pentavalente
N
P N
Figura 7 - Junção entre lacunas e elétrons de semicondutores P e N
Fonte: SENAI (2016)
Como ilustrado na figura anterior, com a junção PN, cria-se uma recombinação de elétrons com as 
lacunas formando uma região com dois tipos de cargas, positivas na região N e negativa na região P, pois 
ocorre a diminuição da quantidade de elétrons livres em N. Devido às ligações covalentes, os íons estão 
presos à estrutura do cristal e, com o passar do tempo, não existem mais lacunas ou elétrons livres na região 
de proximidade da junção, que é chamada de região de depleção. Assim, a transposição de elétrons é 
paralisada, pois existe uma barreira de cargas negativas no lado oposto. A mesma situação acontece para 
as lacunas, sendo repelidas pelas cargas positivas.
As técnicas de dopagem e junção PN permitem a fabricação de componentes, tais como diodos e 
transistores, cujo funcionamento é caracterizado pela estruturaçãoaté aqui estudada dos semicondutores. 
O funcionamento destes componentes basicamente consiste em interromper ou permitir a passagem de 
cargas elétricas de acordo com diferença de potencial aplicada em seus terminais. Outro fator que pode 
impactar em seu funcionamento está relacionado à temperatura, que você estudará na próxima seção.
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2.5 BARREIRA DE POTENCIAL E TEMPERATURA 
Com a região de depleção formada, a movimentação de elétrons e lacunas no interior de um semicondutor 
é interrompida, formando então um equilíbrio por meio de íons positivos e negativos. Assim, na junção 
criada existe uma diferença de potencial entre as regiões P e N. Essa diferença de potencial é denominada 
barreira de potencial.
O valor da barreira de potencial é dependente de dois fatores:
a) do material do qual é formado o semicondutor;
b) do valor da temperatura na junção.
Conforme citado no início do capítulo, os semicondutores podem ser fabricados dos dois materiais 
usualmente encontrados atualmente, semicondutores de germânio e silício. Para o germânio, o valor da 
barreira de potencial é de aproximadamente 0,3 V; e nos semicondutores de silício, de aproximadamente 
0,7 V. Ambos os valores são considerados a uma temperatura ambiente de 25 °C. Assim, o semicondutor, 
quando submetido à variação de temperatura, as partículas de seu interior, mais precisamente, na junção 
entre as regiões P e N, apresentam comportamento distinto, como pode ser observado a seguir.
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Barreira de Potencial
N P
Junção PN
Figura 8 - Barreira de potencial formada entre a junção PN
Fonte: SENAI (2016)
Como já estudado no início deste capítulo, como consequência do aumento da temperatura, os 
átomos são agitados e acabam gerando elétrons livres. Alinhados com a barreira de potencial, os elétrons 
livres, juntamente com as lacunas, interferem na dimensão da camada de depleção, alterando então na 
diminuição da barreira de potencial.
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A energia solar, em conjunto com materiais semicondutores, proporciona um exemplo de aplicação típica 
e renovável, em que células fotovoltaicas são compostas de semicondutores de silício, que, na exposição 
à luz solar, ocasionam o aquecimento. Neste caso, conforme já visto anteriormente, o comportamento 
atômico dos cristais de silício, quando expostos ao aumento de potencial, promove no semicondutor o 
aparecimento de cargas elétricas sendo movimentadas em seu interior, comportando-se como condutor 
de eletricidade.
A condução de cargas elétricas nos terminais de um semicondutor condiz fortemente em relação a 
sua polarização e ao nível de potencial aplicado, podendo a barreira de potencial ser rompida. A seguir, 
conheça essa caraterística.
2.6 RUPTURA 
O nível de potencial aplicado junto aos terminais de um componente semicondutor, como o diodo, é 
caracterizado por suas limitações, assim como em qualquer outro componente eletrônico. Desta forma, o 
excesso, condizendo com sua polarização reversa em suas extremidades (regiões P e N), possui uma faixa 
limite de operação.
Quando polarizado reversamente, em uma fonte de tensão cujo valor exceda o limite do componente, 
tem-se o aumento muito grande da barreira potencial, fazendo com que a junção seja rompida. Esse 
processo é conhecido como ruptura e o valor de tensão que faz com que ela ocorra é chamada tensão de 
ruptura.
 FIQUE 
 ALERTA
Há inúmeros componentes à base de semicondutores. O diodo é um deles, sendo 
muito aplicado em circuitos para transformação de corrente alternada para corrente 
contínua. Desta forma, deve-se respeitar os níveis de tensão dentro dos limites de 
operação. Em caso de tensão reversa, o diodo possui uma tolerância antes de sua 
ruptura. 
Com o rompimento da barreira de potencial, surge na camada de depleção o excesso de portadores 
minoritários oriundos do aumento dos níveis de tensão, fazendo com que o componente semicondutor 
perca suas funções no circuito, ou seja, conduza cargas elétricas.
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 RECAPITULANDO
Neste capítulo, você estudou que o nível de condutividade de um material semicondutor é 
caracterizado pela temperatura ambiente de operação, ou seja, conforme sua estruturação 
atômica, um semicondutor possui comportamento de isolante ou condutor de eletricidade. Os 
componentes semicondutores, como diodos, circuitos integrados e transistores, podem ser 
fabricados de silício ou germânio. Usualmente, os componentes são comercializados de material 
de silício, pela sua abundância na natureza, em comparação com o germânio, que, devido a sua 
estruturação atômica, é um material extremamente sensível à variação de temperatura.
Você compreendeu que, de acordo com a estruturação atômica dos semicondutores, a corrente 
elétrica pode ser dada pelos elétrons na camada de condução e pelos elétrons na camada de 
valência. Dessa forma, há dois caminhos para circulação de corrente, caracterizando o fluxo de 
elétrons e lacunas dentro de um semicondutor como portadores de corrente.
Além disso, você estudou que o processo de dopagem consiste na alteração das características 
de condutibilidade, por meio da adição de impurezas trivalentes e pentavalentes nos átomos 
intrínsecos. Desta forma, o aumento de lacunas é caracterizado pela dopagem de elementos com 
três elétrons na camada de valência, caracterizando o tipo P nos semicondutores, em que ocorre 
a incidência do aumento de lacunas majoritárias. Já a dopagem para aumento de elétrons livres é 
dada pela adição de elementos com cinco elétrons de valência, caracterizando um semicondutor 
como tipo N, com excesso de elétrons, sendo este portador majoritário e as lacunas portadoras 
minoritárias.
A compreensão dos semicondutores e suas características relacionadas à variação dos níveis 
de potencial em seus terminais é de extrema importância, pois os principais dispositivos e 
componentes eletrônicos são formados por componentes dessa natureza.