MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS

Prévia do material em texto

MATERIAIS 
ELÉTRICOS E 
MAGNÉTICOS
Fauzi Marraui
Propriedades dos materiais 
semicondutores
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Caracterizar os materiais semicondutores.
 � Classificar os materiais semicondutores.
 � Identificar aplicações dos materiais semicondutores.
Introdução
Atualmente, a maior parte da eletrônica é dominada pelos dispositivos 
semicondutores, exceto em algumas aplicações de grande potência e 
alta tensão. Os dispositivos semicondutores são os componentes básicos 
para processar sinais elétricos nos sistemas de comutação, comunicação, 
computação e controle. Dessa forma, o estudo dos semicondutores vem 
se tornando cada vez mais importante, devido ao seu uso em larga escala 
no campo da eletroeletrônica. Componentes como transistores, diodos, 
varistores e circuitos integrados baseiam-se em materiais semicondutores.
Neste capítulo, você estudará as principais características dos materiais 
semicondutores, além de suas classificações e possíveis aplicações.
Caracterização dos materiais semicondutores
Segundo Callister Junior e Rethwisch (2016), a condutividade elétrica dos 
materiais semicondutores não é tão elevada quanto a dos metais. Entretanto, 
apresentam algumas características elétricas especiais que os tornam úteis. As 
propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença 
de concentrações de impurezas, mesmo as muito pequenas.
Em comparação com metais e isolantes, as propriedades elétricas dos 
semicondutores são afetadas por variações de temperatura, exposição à luz 
e acréscimos de impurezas. 
Um semicondutor puro, como o silício, apresenta uma condutividade elé-
trica bastante limitada, porém, se pequenas quantidades de impurezas são 
incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se 
significativamente. O material pode passar a conduzir eletricidade em um 
único sentido, por exemplo.
As propriedades elétricas de um material são consequência da estrutura de 
sua banda eletrônica, ou seja, do arranjo das bandas eletrônicas mais externas 
e da forma como as mesmas são preenchidas com elétrons. Para um material 
conduzir eletricidade, é necessário que os elétrons de valência (por meio de 
um potencial elétrico aplicado) saltem do nível de valência para um nível ou 
uma banda de condução.
As estruturas de banda eletrônica dos materiais condutores, isolantes e 
semicondutores estão ilustradas na Figura 1. É possível observar que, nos 
materiais condutores, há uma superposição das bandas mais externas preen-
chidas e vazias; já nos isolantes, o espaçamento entre as bandas é relativamente 
grande (maior que 2 eV); nos materiais semicondutores, esse espaçamento é 
relativamente estreito (menor que 2 eV), ou seja, eles podem apresentar alguma 
condução maior que a dos isolantes e menor que a dos condutores.
Figura 1. Estrutura de banda eletrônica dos (a) condutores, (b) isolantes e (c) semicondutores. 
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
Banda
vazia
Banda
preenchida
Banda de
condução
vazia
Espaçamento
entre bandas
Banda de
valência
preenchida
(a) (b) (c)
Banda de
condução
vazia
Espaçamento
entre bandas
Banda de
valência
preenchida
Propriedades dos materiais semicondutores2
Os materiais semicondutores são sólidos ou líquidos, capazes de mudar 
com certa facilidade sua condição de isolante para a de condutor. Ou seja, 
podem sofrer grandes alterações em sua condutividade, já que a quantidade 
de energia necessária para retirar um elétron da banda de valência e levá-lo 
para a banda de condução é intermediária entre a energia necessária para o 
isolante e o condutor.
Em baixas temperaturas, os semicondutores puros comportam-se como 
isolantes. Sob temperaturas mais altas, luz ou com a adição de impurezas, sua 
condutividade pode ser aumentada drasticamente, podendo alcançar níveis 
que se aproximam dos metais.
Classificação dos materiais semicondutores
Os materiais semicondutores são classificados em dois tipos: intrínsecos e 
extrínsecos. Os semicondutores intrínsecos são aqueles nos quais o compor-
tamento elétrico tem por base a estrutura eletrônica inerente ao metal puro. 
Quando as características elétricas são ditadas pelos átomos de impurezas, o 
semicondutor é dito extrínseco.
Os semicondutores intrínsecos são caracterizados por uma banda de va-
lência preenchida e separada de uma banda de condução vazia por meio de 
um espaçamento entre bandas proibido — geralmente menor que 2 eV.
Os dois semicondutores elementares (silício e germânio) apresentam energia 
de espaçamento entre bandas de aproximadamente 1,1 eV e 0,7 eV, respecti-
vamente. Ambos pertencem ao grupo IVA da tabela periódica e se unem por 
ligações covalentes. 
Vários materiais semicondutores compostos têm o comportamento in-
trínseco. Um desses grupos é formado entre elementos dos Grupos IIIA e 
VA — arseneto de gálio (GaAs) e antimoneto de índio (InSb), por exemplo — 
são chamados de compostos III-V. Além deles, os elementos dos Grupos IIB 
e VIA também exibem comportamento semicondutor. Conforme os dois 
elementos que formam esses compostos ficam mais separados em relação às 
suas posições na tabela periódica, a ligação atômica torna-se mais iônica, e a 
magnitude da energia do espaçamento entre as bandas aumenta (os materiais 
tendem a se tornar mais isolantes). O espaçamento entre bandas para alguns 
compostos semicondutores é apresentado no Quadro 1.
3Propriedades dos materiais semicondutores
Fonte: Adaptado de Callister Junior e Rethwisch (2016).
Material
Espaçamento 
entre bandas 
[eV]
Condutividade 
elétrica 
[Ω ∙ m]-1
Mobilidade 
do elétron 
[m²/V ∙ s]
Mobilidade 
do buraco 
[m²/V ∙ s]
Elementos
Si 1,11 4 ∙ 10-4 0,14 0,05
Ge 0,67 2,2 0,38 0,18
Compostos III-V
GaP 2,25 – 0,03 0,015
GaAs 1,42 10-6 0,85 0,04
InSb 0,17 2 ∙ 104 7,7 0,07
Compostos II-VI
CdS 2,40 – 0,03 –
ZnTe 2,26 – 0,03 0,01
Quadro 1. Energias dos espaçamentos entre bandas e algumas características para ma-
teriais semicondutores
Nos semicondutores intrínsecos, cada elétron excitado para a banda de condução 
resulta na falta de um elétron em uma das ligações covalentes ou no esquema de 
bandas (banda de valência). Esse elétron ausente na banda de valência é chamado 
de buraco, e considera-se que ele tenha carga igual à de um elétron com sinal oposto 
(+1,6 ∙ 10 - 19 C). Logo, os elétrons excitados e os buracos movem-se em direções 
opostas quando na presença de um campo elétrico.
A Figura 2 apresenta o comportamento dos elétrons na condução elétrica 
intrínseca.
Propriedades dos materiais semicondutores4
Fi
gu
ra
 2
. M
od
el
o 
de
 li
ga
çã
o 
el
et
rô
ni
ca
 p
ar
a 
a 
co
nd
uç
ão
 e
lé
tr
ic
a 
no
 si
líc
io
 in
tr
ín
se
co
: (
a)
 a
nt
es
 d
a 
ex
ci
ta
çã
o;
 (b
) e
 (c
) d
ep
oi
s d
a 
ex
ci
ta
çã
o.
Fo
nt
e:
 A
da
pt
ad
a 
de
 C
al
lis
te
r J
un
io
r e
 R
et
hw
is
ch
 (2
01
6)
.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Ca
m
po
 E
Ca
m
po
 E
(a
)
(b
)
(c
)
El
ét
ro
n 
liv
re
El
ét
ro
n 
liv
re
Bu
ra
co
Bu
ra
co
5Propriedades dos materiais semicondutores
A condutividade elétrica de um semicondutor intrínseco é expressa pela 
equação (1):
σ = n|e|μe + p|e|μb (1)
onde:
σ — condutividade elétrica [1/Ω ∙ m];
n — número de elétrons livres por metro cúbico;
|e| — magnitude absoluta da carga elétrica de um elétron (1,6 ∙ 10-19 C);
µe — mobilidade eletrônica [m²/V ∙ s];
p — número de buracos por metro cúbico;
µb — mobilidade dos buracos [m²/V ∙ s].
Para os semicondutores, a magnitude de µb é sempre menor que µe. Para 
os semicondutores intrínsecos, cada elétron promovido pelo espaçamento 
entre bandas deixa para trás um buraco na banda de valência. Dessa forma:
n = p = ni (2)
onde:
ni — concentração de portadores intrínsecos por metro cúbico.
Logo, a condutividade elétrica em funçãode ni pode ser escrita pela equa-
ção (3):
σ = n|e|(μe + μb) = p|e|(μe + μb) = ni|e|(μe + μb) (3)
Teoricamente, todos os semicondutores comerciais são extrínsecos, ou 
seja, o comportamento elétrico é determinado pelas impurezas, as quais, 
mesmo presentes em concentrações mínimas, introduzem um excesso de 
elétrons ou de buracos.
Existem dois tipos de semicondução extrínseca: do tipo n e do tipo p — as 
quais são explicadas a seguir.
Tipo n
Considere um semicondutor elementar de silício. Seu átomo apresenta quatro 
elétrons, os quais estão ligados covalentemente a um de quatro átomos de 
silício adjacentes. Suponha que um átomo de impureza com valência 5 seja 
Propriedades dos materiais semicondutores6
adicionado como impureza substitucional. As possibilidades incluem os átomos 
da coluna do Grupo VA da tabela periódica. Apenas quatro dos cinco elétrons 
de valência desses átomos de impurezas podem participar da ligação, pois 
existem apenas quatro ligações possíveis com átomos vizinhos. O elétron 
adicional, que não forma ligações, fica fracamente preso à região em torno do 
átomo de impureza, por uma atração eletrostática fraca. A energia de ligação 
desse elétron é relativamente pequena (da ordem de 0,01 eV). Dessa forma, 
ele é removido com facilidade do átomo de impureza — nesse caso, ele se 
torna um elétron livre ou de condução, como ilustra a Figura 3 (CALLISTER 
JUNIOR; RETHWISCH, 2016).
Figura 3. (a) Esquema da banda de energia eletrônica para uma impureza localizada abaixo 
da banda de condução. (b) Excitação a partir de um estado doador, no qual um elétron 
livre é gerado na banda de condução.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
Estado
doador
(a) (b)
Elétron livre
na banda
de condução
Ba
nd
a 
de
va
lê
nc
ia
Ee
Es
pa
ça
m
en
to
en
tr
e 
ba
nd
as
Ba
nd
a 
de
co
nd
uç
ão
En
er
gi
a
Para cada um dos elétrons fracamente ligados, existe um nível de energia 
que está localizado dentro do espaçamento proibido entre as bandas, logo abaixo 
da parte inferior da banda de condução. A energia necessária para excitar o 
elétron de um estado de impureza até um estado dentro da banda de condução 
corresponde à energia de ligação desse elétron. Cada excitação fornece ou 
doa um único elétron para a banda de condução. Uma impureza desse tipo é 
denominada de doadora. Uma vez que cada elétron doado é excitado a partir 
de um nível da impureza, nenhum buraco correspondente é criado na banda 
de valência, como está demonstrado na Figura 4.
7Propriedades dos materiais semicondutores
Fi
gu
ra
 4
. M
od
el
o 
de
 s
em
ic
on
du
çã
o 
ex
tr
ín
se
ca
 d
o 
tip
o 
n:
 (a
) u
m
 á
to
m
o 
de
 im
pu
re
za
 p
od
e 
su
bs
tit
ui
r u
m
 á
to
m
o 
de
 s
ilí
ci
o,
 o
 q
ue
 re
su
lta
 e
m
 u
m
 e
lé
tr
on
 d
e 
lig
aç
ão
 e
xt
ra
; (
b)
 a
 e
xc
ita
çã
o 
pa
ra
 fo
rm
ar
 u
m
 e
lé
tr
on
 li
vr
e;
 (c
) o
 m
ov
im
en
to
 d
es
se
 e
lé
tr
on
 li
vr
e 
em
 re
sp
os
ta
 a
 u
m
 c
am
po
 e
lé
tr
ic
o.
Fo
nt
e:
 A
da
pt
ad
a 
de
 C
al
lis
te
r J
un
io
r e
 R
et
hw
is
ch
 (2
01
6)
.
Propriedades dos materiais semicondutores8
Devido à grande excitação de elétrons a partir dos estados doadores, o 
número de elétrons na banda de condução excede em muito o número de 
buracos na banda de valência (n >> p). Logo, a condutividade elétrica pode 
ser expressa pela equação (4):
σ ≅ n|e|μe (4)
Um material desse tipo é um semicondutor extrínseco do tipo n. Os elé-
trons são os portadores majoritários, e os buracos são os portadores de carga 
minoritários. O nível de Fermi é deslocado para cima no espaçamento entre 
bandas, até a vizinhança do estado doador.
Tipo p
Um efeito oposto ao que ocorre aos semicondutores extrínsecos do tipo n 
é produzido pela adição ao silício ou ao germânio de impurezas trivalentes 
(alumínio, boro e gálio). Uma das ligações covalentes desses átomos fica 
deficiente em um elétron, e essa deficiência é vista como um buraco que está 
fracamente ligado ao átomo de impureza. Tal buraco pode ser liberado por meio 
da transferência de um elétron de uma ligação adjacente, como ilustrado na 
Figura 5. O elétron e o buraco trocam de posição. Um buraco em movimento 
é considerado em estado excitado e contribui com o processo de condução de 
forma análoga à de um elétron excitado.
Figura 5. Modelo de semicondução extrínseca do tipo p. (a) Um átomo de impureza pode 
substituir um átomo de silício. (b) O movimento do buraco em resposta a um campo elétrico.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
9Propriedades dos materiais semicondutores
As excitações extrínsecas podem ser representadas pelo modelo de bandas, 
conforme a Figura 6, em que cada átomo de impureza desse tipo produz um 
nível de energia dentro do espaçamento entre bandas, localizado acima da 
parte superior da banda de valência. Imagina-se que um buraco seja criado na 
banda de valência devido à excitação térmica de um elétron. Uma impureza 
desse tipo é denominada de receptora, pois tem a capacidade de aceitar um 
elétron na banda de valência, deixando para trás um buraco. O nível de ener-
gia introduzido no espaçamento entre as bandas por esse tipo de impureza é 
chamado de estado receptor.
Figura 6. (a) Esquema da banda de energia para um nível de impureza receptora acima da 
banda de valência. (b) Excitação de um elétron para dentro do nível receptor.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
Estado
receptor
(a) (b)
Buraco na
banda de
valência
Ba
nd
a 
de
va
lê
nc
ia
Ee
Es
pa
ça
m
en
to
en
tr
e 
ba
nd
as
Ba
nd
a 
de
co
nd
uç
ão
En
er
gi
a
Na excitação extrínseca tipo p, os buracos estão presentes em concen-
trações muito maiores que os elétrons (p >> n). Logo, um material sob essas 
circunstâncias é do tipo p, visto que as partículas carregadas positivamente 
são as principais responsáveis pela condução elétrica. 
Nesse caso, os buracos são os portadores majoritários, e os elétrons são 
os portadores minoritários — portanto, a condutividade elétrica é expressa 
pela equação (5):
σ ≅ p|e|μe (5)
Propriedades dos materiais semicondutores10
O nível de Fermi dos semicondutores do tipo p está posicionado dentro do 
espaçamento entre bandas e próximo ao nível do receptor.
Nos semicondutores extrínsecos, grandes números de portadores de carga 
são criados à temperatura ambiente pela energia térmica disponível, e, como 
consequência desse fato, são obtidas condutividades elétricas relativamente 
elevadas. A maioria desses materiais é projetada para aplicações em dispositivos 
eletrônicos que operam em condições ambientes.
Aplicações dos materiais semicondutores
Os semicondutores são especialmente utilizados em dispositivos na área 
da eletrônica, devido às suas propriedades elétricas especiais. Os diodos e 
transistores (que substituíram as válvulas a vácuo) são exemplos conhecidos. 
Dentre as vantagens dos dispositivos semicondutores, pode-se citar suas 
pequenas dimensões, seu baixo consumo de energia e a inexistência de tempo 
de aquecimento.
Segundo Shackelford (2008), circuitos elétricos miniaturizados são o 
resultado da combinação de materiais semicondutores tipo p e tipo n. Um 
exemplo é o retificador, ou diodo, que contém uma única junção p–n. Esta 
junção pode ser produzida pela união física de dois pedaços de material: 
um tipo p e outro tipo n. Quando uma diferença de potencial é aplicada ao 
dispositivo, os portadores de carga são afastados da junção (os buracos em 
direção ao eletrodo negativo, e os elétrons negativos em direção ao eletrodo 
positivo). Essa polaridade reversa rapidamente leva à polarização do retifi-
cador. Os portadores majoritários de carga em cada região são levados para 
os eletrodos adjacentes, e apenas uma corrente mínima pode fluir, como 
ilustra a Figura 7.
11Propriedades dos materiais semicondutores
Figura 7. (a) Retificador em estado sólido (diodo). (b) Na polaridade reversa, ocorre 
a polarização e há poucofluxo de corrente. (c) Na polarização direta, a maioria dos 
portadores flui para a junção, onde são continuamente recombinados.
Fonte: Shackelford (2008).
junção p–n
material
tipo p
material
tipo n
(a)
Buracos Zona de
isolamento
Elétrons
condutores
– eletrodo + eletrodo
e–
e–
(b)
Buracos Zona de 
recombinação
Elétrons
condutores
+ –eletrodo eletrodo
(c)
A inversão de tensão produz uma polaridade direta, em que os portadores 
de carga majoritários em cada região fluem em direção à junção, onde são 
continuamente recombinados. Esse processo permite o fluxo contínuo de 
corrente no circuito. O fluxo de elétrons no circuito externo fornece uma 
Propriedades dos materiais semicondutores12
fonte nova de buracos no eletrodo positivo e uma fonte nova de elétrons no 
eletrodo negativo. 
O retificador ideal não permite a passagem de corrente na polaridade reversa 
e tem resistividade nula na polaridade direta. Já o dispositivo real apresenta 
uma pequena corrente na polaridade reversa e uma pequena resistividade na 
polaridade direta. Esse dispositivo substituiu a válvula retificadora a vácuo.
Outro dispositivo semicondutor muito utilizado na eletrônica é o transistor, 
que tem duas funções principais: amplificar um sinal elétrico e servir como 
dispositivo interruptor nos computadores para processamento e armazenamento 
de informações. Os dois tipos principais são o transistor de junção e o MOSFET.
O transistor de junção é composto por duas junções p–n em uma confi-
guração n–p–n ou p–n–p. A Figura 8 ilustra o diagrama de um transistor de 
junção p–n–p, juntamente com seu circuito correspondente.
Figura 8. Diagrama de um transistor de junção p–n–p.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
+Carga
Vo
lta
ge
m
 d
e 
�u
xo
 p
ar
a 
a 
fre
nt
e
Voltagem
de alimentação
Voltagem
de saída
Vo
lta
ge
m
 d
e 
�u
xo
 re
ve
rs
o
Junção 1 Junção 2
Vo
lta
ge
m
de
 e
nt
ra
da
 
(m
V)
Vo
lta
ge
m
de
 sa
íd
a
(m
V)
0,1
Tempo Tempo
10
+
–
Emissor
p
Base
p
Coletor
p
Como o emissor é do tipo p, e a junção 1 apresenta fluxo para frente, um 
grande número de buracos entra na região da base. Esses buracos são portadores 
minoritários na base do tipo n, e alguns se combinarão com elétrons majori-
13Propriedades dos materiais semicondutores
tários. Porém, se a base for extremamente fina e os materiais semicondutores 
tiverem sido preparados corretamente, a maioria dos buracos passará através 
da base sem recombinação e irá, então, através da junção 2, para o coletor do 
tipo p. Os buracos se tornam agora parte do circuito emissor-coletor (Figura 9). 
Um pequeno aumento na tensão de alimentação no circuito emissor-base 
produz um grande aumento na corrente por meio da junção 2. Esse grande 
aumento na corrente do coletor também é refletido para um grande aumento 
na tensão por meio do resistor de carga. Dessa forma, um sinal de tensão que 
passa em um transistor de junção é amplificado (CALLISTER JUNIOR; 
RETHWISCH, 2016).
Figura 9. Distribuição e direção dos movimentos dos portadores de carga: 
(a) quando não há potencial aplicado; e (b) com o fluxo apropriado para ampli-
ficação de tensão solda de componentes eletrônicos.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
+ +
+
++
+
+
+ ++
+ + +
+
+
++
+
+
+
–
–
–
– –
+ +
+
++
+
+
+ ++
+ + +
+
+
++
+
+
+
–
– –
–
–
Tipo pTipo n
Emissor Coletor
(a)
(b)
Junção 1 Junção 2
Tipo p
Base
–
–+
+
Propriedades dos materiais semicondutores14
Em um transistor n–p–n, o raciocínio é análogo, porém são os elétrons 
que são injetados através da base para dentro do coletor.
O MOSFET consiste em duas pequenas ilhas de semicondutor do tipo p, 
que são criadas em um substrato de silício do tipo n, como é ilustrado em seção 
transversal na Figura 10. As ilhas são unidas por um canal do tipo p. Uma 
camada isolante de dióxido de silício é formada pela oxidação da superfície 
do silício. Então, um conector final (porta) é colocado sobre a superfície dessa 
camada isolante.
Figura 10. Vista esquemática da seção transversal de um MOSFET.
Fonte: Adaptada de Callister Junior e Rethwisch (2016).
Fonte Porta Dreno
Camada isolante 
de SiO2
Substrato de Si do tipo n
Canal do tipo p
Si do tipo p Si do tipo p
A condutividade do canal varia pela presença de um campo elétrico apli-
cado à porta. Caso seja aplicado um campo positivo na porta, os portadores 
de carga serão direcionados para fora do canal, reduzindo a condutividade 
elétrica e causando uma variação grande na corrente entre a fonte e o dreno. 
O MOSFET e o transistor de junção têm uma operação muito parecida, mas 
a principal diferença entre eles é que a corrente da porta do MOSFET é muito 
pequena em comparação à corrente de base do transistor de junção. Portanto, 
os MOSFET são utilizados onde as fontes de sinal a serem amplificadas não 
suportam uma corrente mais alta.
15Propriedades dos materiais semicondutores
CALLISTER JUNIOR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia dos materiais: uma 
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. 912 p.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2008. 576 p.
Propriedades dos materiais semicondutores16
Conteúdo: