Capítulo 011

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Funcionamento dos semicondutores
Das inumeráveis propriedades físicas e químicas que podemos encontrar em qualquer elemento da natureza, como eletrônicos que somos, a única que nos interessa é a facilidade para permitir a passagem de elétrons através deles, isto é, o que se conhece com o nome de corrente elétrica. Um material que permita facilmente esta passagem se diz que tem boa condutividade. 
Na natureza existem três tipos de materiais conforme seja o seu comportamento diante da passagem da corrente elétrica: condutores, isoladores e semi-condutores. 
Em um condutor, a passagem de elétrons de um lado para o outro se produz livremente sem nenhum tipo de impedimento. Algo assim como a água fluindo livremente por uma tubulação. Pelo contrário, num isolador é difícil o movimento dos elétrons impedindo, portanto, a passagem da corrente, como se puséssemos à nossa tubulação uma tampa na entrada. Por último, o semicondutor é o caso intermédio, onde é possível a passagem de elétrons mas não tão facilmente como nos condutores, dado que necessitam de uma ajuda extra, seria como uma tubulação com uma grelha de borracha que pudéssemos fechar ou abrir conforme as necessidades. 
Este último tipo é o que nos ocupa pois é o material com o que se fabricam importantes dispositivos eletrônicos. 
Para poder entender como é possível que a corrente possa circular "livremente" por um material e “com reticências” por outro, vamos entrar no mundo microscópico. 
Todo material está composto de partículas incrivelmente pequenas chamadas átomos. 
Um átomo, por sua vez, consta principalmente de um núcleo e uns elétrons. 
Quando se "juntam" átomos iguais, isto é, com o mesmo número de elétrons, obtemos o que se conhece como elemento. Assim, por exemplo, o cobre é o resultado de "juntar" átomos que têm 29 elétrons entre si. Agora bem, a forma de unir estes átomos é o que tecnicamente se conhece com o nome de "enlace" e é o que vai determinar as características físicas e químicas de dito elemento.
A efeitos elétricos, o que nos interessa exclusivamente de um elemento é a facilidade deste para permitir a passagem de corrente elétrica, denominando-se condutividade. Esta facilidade vem determinada pelo que se conhece como elétrons de valência. Isto não é mais que o número de elétrons pertencentes ao átomo que teriam a oportunidade de circular junto com a corrente elétrica pela "tubulação", seja num condutor ou um semicondutor. Nos materiais isoladores é muito difícil separar um elétron de valência do seu átomo. 
Os semi-condutores mais importantes utilizados atualmente, são o Germânio (Ge) e o silício (Si), ambos têm quatro elétrons de valência. 
Funcionamento de semi-condutores
Os semi-condutores são materiais moderadamente estáveis, isto é, se nada lhes perturba não conduzem a corrente. Agora bem, basta que os "incomodemos" um pouco para que esses elétrons de valência, que tem cada átomo, saltem e se aventurem formando uma corrente elétrica. 
Há duas formas de "incomodar" os elétrons dos átomos:
- A primeira é aquecendo-os. Um aumento de temperatura faz que os elétrons tenham mais energia e fiquem “nervosos”. Alguém poderia pensar que os elétrons são como grãos de milho numa frigideira e conforme se vaiam aquecendo começam a saltar saindo do recipiente. 
Como as pipocas, os nossos elétrons saltam e abandonam o átomo ao que estavam unidos para começar a circular junto com outros elétrons criando a corrente.
- A segunda é "acrescentando um estranho", o qual se conhece com o nome de dopagem. A técnica da dopagem consiste simplesmente em alterar a estrutura interna de um semicondutor, acrescentando dentro dele uma pequeníssima quantidade de átomos de outro elemento bastante similar ao original. Ao dopar um elemento ocorre como se a um monte de farinha lhe acrescentamos uma "pitadinha" de levedura, removemos bem e colocamos no forno, a simples vista parece que não fizemos nada porém os efeitos físicos são bem visíveis. Ao dopar um semicondutor se produz um grande aumento da sua permissividade à passagem da corrente. 
O que acontece ao aquecer um elemento? 
Os elétrons de valência abandonam o seu lugar e deixam um "buraco". Os elétrons são a parte do átomo que tem carga negativa e ir embora um deles se produz uma falta desta carga; isto é a mesma coisa que dizer que se produz um excesso de carga positiva num átomo que até agora era neutro (igual número de cargas positivas que negativas). 
Este excesso de carga positiva leva o nosso pobre átomo a procurar desesperadamente um elétron para equilibrar-se e ficar de novo neutro e tranqüilo. Mas o que acontece quando ele o encontra? Pois esse elétron não foi encontrado por aí perdido por acaso, mas foi roubado por sua vez de outro átomo deixando neste, outro buraco e, portanto, começamos tudo outra vez. De novo temos um buraco procurando um elétron.
Este vaivém de elétrons e buracos é o que chamamos corrente elétrica. 
Tipo N e tipo P
Quando ao dopar introduzimos átomos com três elétrons de valência num elemento de átomos com quatro estamos formando um semicondutor tipo P, vindo o seu nome do excesso de carga positiva que têm estes elementos. Estes átomos "estranhos" que acrescentamos se recombinam com o resto mas nos fica um "buraco" livre que produz atração sobre os elétrons que circulam pelo nosso elemento. Também se produz uma circulação destes buracos colaborando na corrente.
No entanto, se os átomos acrescentados têm cinco elétrons na sua última camada o semicondutor se denomina de tipo N, por ser mais negativo que um sem dopar. Neste tipo de materiais temos um quinto elétron que não se recombina com os outros e , portanto, está livre e vaga pelo elemento produzindo corrente. Para fazer-se uma idéia das quantidades que entram em jogo nesse negócio da dopagem se poderia dizer que se introduz um átomo estranho por cada duzentos milhões de átomos do semicondutor. 
Até agora descrevemos a corrente elétrica como a passagem de elétrons de um lado para o outro mas chegou o momento de aumentar este conceito. Como vimos, a aparição de um buraco produz o movimento de um elétron para ele deixando de novo um buraco ao que irá outro elétron. Este movimento pode ver-se desde dois pontos de vista. O primeiro é o do elétron movendo-se da direita à esquerda, o segundo seria o do buraco (lacuna) deslocando-se de esquerda à direita. Pois bem, não é correto nem um nem o outro, mas os dois ao mesmo tempo. Há que pensar que é tão importante um movimento como o outro, e que a corrente elétrica deve ser concebida como a soma dos dois. Como veremos, nuns casos será mais importante, quantitativamente falando, a corrente criada pelo movimento dos elétrons e, no entanto, noutros o será a criada pelos buracos. Se adotou por convênio que a corrente elétrica leva o sentido das lacunas, isto é, quando seguimos o sentido dos elétrons a corrente é negativa e positiva em caso contrário. 
Devemos dividir os semi-condutores em dois grupos: intrínsecos e extrínsecos. 
Os semi-condutores extrínsecos são aqueles que foram dopados de alguma forma, produzindo assim um semicondutor tipo P ou do tipo N. E os intrínsecos são os que não sofreram nenhuma classe de dopagem. 
Posto que a passagem de elétrons através de qualquer material sempre produz calor, impossível separar os efeitos produzidos pela dopagem e o aumento de temperatura num semicondutor; de maneira que ambos os efeitos se somam e a circulação de elétrons e lacunas vai ser maior.
 
Portadores majoritários e minoritários 
Não está completa a nossa explicação sem comentar brevemente o que se conhece com o nome de portadores majoritários e minoritários. 
Quando existe corrente dentro de um material vimos que é devida a elétrons movendo-se para um lado e lacunas deslocando-se em sentido contrário. Mas as quantidades de uns eoutros não têm porque serem iguais nem parecidas, isto depende do material através do qual circula a corrente. Chamamos portadores majoritários àqueles que contribuam à passagem da corrente em "maior" medida e, obviamente, os minoritários serão aqueles que o façam em menor medida.
Se temos um material tipo N pelo que circula corrente, os portadores majoritários serão os elétrons que "sobram" pela dopagem junto com os elétrons que "saltam" devido ao calor e os portadores minoritários serão as lacunas produzidas ao irem embora os elétrons do seu lugar. Pelo contrário, num semi-condutor tipo P os portadores majoritários serão as lacunas que tem em "excesso" pela dopagem mais as lacunas que se produzem por efeito do calor, ao passo que os portadores minoritários serão os elétrons que "saltaram" do seu lugar. 
União P-N 
Chegados a este ponto, qualquer pessoa com um pouco de curiosidade deve ter-se feito a seguinte pergunta: o que é que aconteceria se juntássemos um "pedaço" de material tipo P com um "pedaço" de material tipo N? Pois bem, esta pergunta já foi feita por alguém faz uns quantos anos e deu origem ao que hoje em dia se conhece como união P-N. 
De novo, como eletrônicos que somos, apenas nos interessa algo muito concreto desta união, o qual não é outra coisa que o seu comportamento de cara à passagem de corrente elétrica.
 Suponhamos, primeiramente, que unimos um pedaço de material tipo P com um tipo N; o que vai acontecer?
Pois acontece que os elétrons que sobram ao material tipo N se acomodam nos buracos que sobram do material tipo P. Mas, atenção! Não todos os de um bando se passam ao outro, apenas o fazem os que estão muito perto da fronteira que os separa; e por que é que só uns poucos? Porque o fato de que se vaiam os elétrons com os buracos é devido à atração mútua que existe entre eles dado que possuem cargas opostas; no entanto, uma vez que já tenham passado certa quantidade de elétrons ao outro bando começa a haver uma concentração de elétrons maior do normal, o que provoca que estes comecem a se repelirem entre si. Portanto, se chega a um equilíbrio ao terem os suficientes elétrons para apaziguar a atração lacuna-elétron inicial mas não tantos como para chegar a se repelirem entre eles. Uma vez alcançado este equilíbrio diz-se que se criou uma barreira de potencial. Uma barreira de potencial é simplesmente uma oposição a que continuem passando os elétrons e lacunas de um lado para o outro. Esta situação permanecerá inalterável enquanto não fizermos nada externo para modificá-la, isto é, compensar o efeito dessa barreira de potencial com outro potencial fornecido por nós, por exemplo, ligando-o a uma bateria. 
Polarização direta e inversa
Existem duas formas de ligar uma bateria a uma união P-N. Primeiro ligar o borne positivo da bateria com o material tipo P e o borne negativo com o material tipo N e a outra ligar o borne positivo com o material tipo N e o borne negativo com o tipo P. A primeira delas é denominada polarização direta e a segunda polarização inversa. Vejamos o que é que acontece em cada uma delas. 
Ao polarizar diretamente uma união P-N o pólo negativo da bateria está injetando elétrons ao material N, ao passo que o pólo positivo recebe elétrons do lado P criando-se assim uma corrente elétrica. Com esta bateria conseguimos vencer o obstáculo que se tinha criado devido à barreira de potencial existente entre ambos os materiais. De novo os elétrons e as lacunas podem passar livremente através da fronteira.
 No entanto, ao polarizar inversamente uma união P-N não se cria uma corrente em sentido oposto, curiosamente, não há corrente alguma. Isto é porque os buracos livres do tipo P se recombinam com os elétrons que procedem do pólo negativo da bateria, e os elétrons livres do tipo N são absorvidos por esta, afastando-se tanto buracos como elétrons da união. Ao invés de vencerem a nossa barreira de potencial, esta se torna maior e não existe corrente - embora, para sermos exatos, exista uma corrente e esta seja a produzida pelos portadores minoritários, é pequena demais e portando inapreciável.
 O diodo
Todo dispositivo semi-condutor está formado basicamente por uniões P-N. Os transistores, FET, MOSFET, etc., são combinações destas uniões. Inclusive uma união P-N é um dispositivo eletrônico amplamente conhecido: o diodo. Para começar, vamos falar do diodo "ideal", isto é, de um diodo cujo comportamento seria o desejado mas que não é possível alcançar na realidade. Este tipo de diodos apenas permitem a passagem de corrente num sentido, opondo-se no sentido contrário. Esta característica tem um grande interesse na comutação dado que dela se deriva uma propriedade ON-OFF (aberto-fechado), como veremos mais adiante.
 
A diferença entre um diodo real e um diodo ideal está em que o primeiro vai permitir a corrente num sentido, não livremente, mas que oferece uma pequena resistência e além disso, ao polarizar-se inversamente, não corta a corrente de uma maneira categórica mas, como vimos na união P-N, há uma pequena corrente em sentido contrário. Se a diferença de potencial existente entre os extremos do diodo fosse suficientementemente grande, esta corrente inversa começaria a aumentar de maneira considerável. Nos encontramos na região de funcionamento chamada "zener", a qual é tremendamente destrutiva para o diodo. No entanto, certos diodos estão fabricados especialmente para funcionar nesta região e são conhecidos como diodos "zener".
Adaptado do “curso de eletrônica” da Editora F&G S.A (1995)
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Um átomo de Silício está formado por 14 elétrons; quatro deles são os chamados elétrons de valência e estão na última camada.
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Um semicondutor tipo P tem alguns átomos com três elétrons de valência e uma grande maioria com quatro.
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Ao juntar um semicondutor tipo P com um tipo N se forma a chamada UNIÃO P-N.
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A passagem da corrente elétrica é permitida num sentido ao atravessar um diodo mas está proibida no sentido contrário.
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O diodo é um dos componentes básicos que aparece em qualquer dispositivo eletrônico.
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A)Polarização direta numa união P-N. B) Polarização reversa numa união P-N.
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Dentro de um semicondutor onde circula a corrente há elétrons e espaços movendo-se, mas em sentidos opostos.
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Um semicondutor tipo N está "dopado" com átomos que têm cinco elétrons de valência.
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Aqui podemos ver o Silício tal e como se encontra na natureza antes de formar parte dos nossos componentes eletrônicos.
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Se aumentamos a temperatura num material semicondutor, os elétrons de valência têm muita facilidade para afastar-se do átomo ao que pertencem.
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Os trêstipos de materiais, conforme permitam a passagem da corrente elétrica, são: a)Condutores. B)Isoladores. C) Semicondutores.