Unidade 4 - Materiais Semicondutores e Aplicações Materiais

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MATERIAIS 
ELÉTRICOS 
Murilo Fraga Da Rocha
Materiais semicondutores 
e aplicações materiais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
� Definir a estrutura dos materiais semicondutores.
� Descrever a dopagem nos materiais semicondutores.
� Relacionar as principais aplicações.
Introdução
Os materiais elétricos podem ser classificados, de acordo com a sua 
condutividade elétrica, em materiais isolantes, condutores e semicondu-
tores. Os semicondutores são materiais elétricos cujas características de 
condutividades são intermediárias entre as características dos materiais 
isolantes, que são maus condutores elétricos, ou seja, materiais de baixa 
condutividade, e as características dos materiais condutores, que são 
excelentes condutores elétricos, materiais que têm alta condutividade. 
Portanto, os materiais que, em temperatura ambiente, possuem uma 
resistividade intermediária entre a dos metais e a dos isolantes são de-
nominados semicondutores. 
Na prática, o material semicondutor mais utilizado é o silício. Um dos 
motivos para isso é que o silício é o segundo elemento mais abundante 
na natureza: constitui cerca de 27,7% da crosta terrestre. O germânio 
é um dos semicondutores mais antigos, que foi bastante utilizado na 
fabricação de componentes eletrônicos, mas está dando lugar ao silício 
pois é encontrado em pequenas quantidades na natureza e sua extração 
é extremamente difícil.
Neste capítulo, você vai compreender todas as estruturas dos mate-
riais semicondutores, aprendendo o que é e como é feita a dopagem 
dos materiais semicondutores, e será capaz de relacionar as principais 
aplicações práticas dos semicondutores.
Estrutura dos materiais semicondutores
Os átomos são formados por elétrons, prótons e nêutrons. Os elétrons giram 
em orbitas em torno do núcleo, que é composto pelos prótons e nêutrons, como 
você pode ver na Figura 1. A quantidade de elétrons, prótons e nêutrons muda 
de acordo com cada tipo de elemento químico, e quanto maior for a energia 
do elétron, maior será o raio da órbita por onde ele gira (SCHMIDT, 2010).
Figura 1. Estrutura de um átomo.
Fonte: oorka/Shutterstock.com.
14 prótons 14 neutrons 14 elétrons
Os elétrons que se encontram na camada mais externa são chamados de 
elétrons de valência, e, por isso, essa última orbita recebe o nome de orbita 
de valência ou banda de valência. Os elétrons de valência são os elétrons que 
Materiais semicondutores e aplicações materiais2
podem liberar-se dos átomos por força de alguma energia externa, como calor 
e luz, ou que podem ligar-se a outro átomo por meio de ligações covalentes, 
que consistem no compartilhamento de elétrons da última camada de um 
átomo com os elétrons da última camada de outro átomo.
Quando um átomo recebe energia externa, faz com que os elétrons de 
valência se tornem elétrons livres que formam uma banda de condução que 
pode se movimentar pelo material. Se você aplicar um campo elétrico ao 
material, são os elétrons livres que, ao se movimentarem, geram a corrente 
elétrica. Quanto maior a energia necessária para os elétrons de valência se 
movimentarem, maior é a resistência elétrica do material. 
A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e está relacionada 
com a resistência elétrica da seguinte maneira (SCHMIDT, 2010):
onde:
ρ = R Al
 � R é a resistência elétrica;
 � A é a área da secção reta perpendicular à direção da corrente; 
 � l é a distância entre dois pontos no material.
A condutividade elétrica (ρ) indica a facilidade com que um material 
conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade. Em função dos valores 
de condutividade ou de resistividade, os materiais podem ser classificados 
como: condutores, semicondutores e isolantes. 
Nos materiais isolantes quase nenhum elétron tem energia suficiente para 
sair da banda de valência e atingir a banda de condução, proporcionando assim 
uma corrente elétrica muito baixa nesses materiais. 
Nos materiais condutores os elétrons de valência passam facilmente para 
a banda de condução sem ter a necessidade de muita energia, fazendo com 
que esses materiais resistam pouco à passagem de corrente. 
Os semicondutores são materiais que tem características intermediárias 
entre os condutores e os isolantes, ou seja, necessitam mais energia que os 
condutores para que os elétrons de valência passem para a banda de condução 
e proporcionam mais corrente elétrica que os isolantes. A Tabela 1 apresenta 
a condutividade elétrica de alguns materiais de engenharia (SMITH; HA-
SHEMI, 2012).
3Materiais semicondutores e aplicações materiais
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 536).
Metais e ligas σ (Ω · m)-1 Não metais σ (Ω · m)-1
Prata
Cobre, pureza 
comercial
Ouro 
Alumínio, pureza 
comercial
6,3 × 107
5,8 × 107
4,2 × 107
3,4 × 107
Grafita 
Germânio
Silício 
Polietileno 
Poliestireno 
Diamante
105
2,2
4,3 × 10-4
10-14
10-14
10-14
Tabela 1. Condutividades elétricas de alguns metais e não metais
Existem muitos elementos que são semicondutores. Os mais comumente uti-
lizados são o germânio e o silício. Esses materiais são elementos que possuem 
quatro elétrons na camada de valência, ou seja, são elementos tetravalentes, 
o que permite realizar quatro ligações covalentes com quatro átomos, como 
você pode ver nas Figuras 2 e 3.
Figura 2. Átomos de germânio e silício. 
Fonte: Adaptada de BlueRingMedia/Shutterstock.com.
Germânio
Massa atômica: 72,63
Con�guração elétrica: 2, 8, 18, 4
32 14 Silicone
Massa atômica: 28,085
Con�guração elétrica: 2, 8, 4
Materiais semicondutores e aplicações materiais4
Figura 3. Ligações covalentes do silício.
Fonte: molekuul_be/Shutterstock.com.
O germânio é um material semicondutor muito antigo. Porém, é encontrado 
em pequenas quantidades, normalmente em minério de zinco ou em pó de 
carvão. Já o Silício é o segundo elemento mais abundante na natureza, consti-
tuindo cerca de 27,7% da crosta terrestre. O silício é termicamente mais estável 
que o germânio, o que permite sua utilização em temperaturas ambientes de 
até 150 °C, o que reduz as perdas na condução, elevando assim o rendimento 
do material. Esses dois materiais semicondutores são os mais utilizados na 
indústria, e suas características técnicas podem ser vistas e comparadas na 
Tabela 2 (SCHMIDT, 2010).
5Materiais semicondutores e aplicações materiais
Fonte: Adaptada de Schmidt (2010, p. 118).
Propriedades Ge Si
Peso atômico, g 72,59 28,087
Densidade, a 25 °C, g/cm3 5,32 2,33
Ponto de fusão, graus 958 1414
Ponto de ebulição, graus ~ 2700 2600
Largura da zona proibida, e V 0,72 1,21
Resistência própria a 25 °C, ohms/cm ~ 65 63000
Mobilidade de elétrons, cm2/V · s 3900 ± 100 1350
Mobilidade das lacunas, cm2/V · s 1900 ± 100 500
Condutividade térmica a 25 °C cal/s · cm · graus 0,136 0,309
Coeficiente de dilatação linear a 25 °C, 1/graus 6,65 · 10-6 4,15 · 10-6
Número de átomos, cm3 4,42 · 1022 4,96 · 1022
Coeficiente de difusão de elétrons, m2/s 90 38
Coeficiente de difusão de lacunas, cm2/s 45 13
Tabela 2. Características comparativas entre silício e germânio
Dopagem nos materiais semicondutores
Nos semicondutores, quando um elétron passa da banda de valência para a 
banda de condução, ficando livre, ocorre uma “ausência de elétron” na ligação 
covalente da qual esse elétron saiu. Esse local onde estava o elétron na ligação 
covalente passa a ficar vazio, e essa falta de elétron é chamada de lacuna. Veja 
na Figura 4 (SMITH; HASHEMI, 2012).
Materiais semicondutores e aplicações materiais6
Figura 4. Representação bidimensional da rede cúbica do diamentro para o silício e para 
o germânio, mostrando os centros de íons positivos e os elétrons de valência. O elétron 
inicialmente em uma ligação em A foi energizado e se moveu para o ponto B.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 543). 
Elétrons de 
valência
Lacuna carregada positivamente
é criada nesta posição quando
o elétron se move
Elétron decondução móvel
Centros de íons
positivos
A
B
Esse fenômeno acontece apenas nos materiais semicondutores, e é por isso 
que é possível a construção de componentes semicondutores.
Como a Lacuna é o local onde existia um elétron, que é uma carga negativa, 
ela se comporta como uma carga positiva mesmo não sendo uma carga, por 
isso representamos a lacuna com um sinal positivo, como pode ser observado 
na Figura 5 (SMITH; HASHEMI, 2012).
Figura 5. Condução elétrica em um semicondutor como o silício, mostrado a 
migração de elétrons e lacunas no campo elétrico aplicado. 
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 543).
Terminal
negativo
Terminal
positivo
Elétron
Lacuna
7Materiais semicondutores e aplicações materiais
Quando aplicamos um campo elétrico no semicondutor, uma força é exercida 
sobre os elétrons de valência e um elétron se libera. Ocorre então o movimento 
dos elétrons e das lacunas, como pode ser visto na Figura 6, que representa 
esse movimento no silício, semicondutor puro (SMITH; HASHEMI, 2012).
Figura 6. Vista esquemática do movimento de lacunas e elétrons no silício, semicondutor 
puro, durante a condução elétrica causada pela aplicação de um campo elétrico.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 544). 
E
(a)
Lacuna
Lacuna Lacuna
(b) (b)
E E
AAA+
BB B+
C+CC
Essa movimentação dos elétrons e das lacunas nos semicondutores também 
gera uma corrente elétrica, que se desloca dentro do material. Sendo assim, 
as lacunas se movimentam em uma direção e os elétrons se movimentam no 
sentido contrário ao das lacunas.
Quando temos um cristal de semicondutor puro que não possui átomos 
de nenhum outro elemento, isto é, um semicondutor sem impurezas, ele é 
denominado de semicondutor intrínseco. Em um semicondutor intrínseco a 
quantidade de lacunas é sempre igual ao número de elétrons covalentes, pois 
sempre que uma ligação covalente é gerada ou rompida um par elétron-lacuna 
é formado ou destruído no processo. Porém, os semicondutores intrínsecos não 
possuem elétrons livres suficiente para gerar uma corrente elétrica utilizável.
Então, para que um semicondutor possa ser utilizado na prática, é preciso 
modificá-lo para que o número de lacunas ou de elétrons livres possa ser aumen-
tado. Para que isso seja possível, é necessário utilizar um processo industrial 
no qual colocam-se determinadas impurezas no material semicondutor. Essas 
impurezas são átomos de outros materiais, acrescentados de forma totalmente 
controlada. Esse processo é denominado dopagem. 
O processo de dopagem é utilizado para aumentar a quantidade de elé-
trons na banda de condução dos materiais semicondutores intrínsecos. Essas 
Materiais semicondutores e aplicações materiais8
impurezas podem ser átomos com 3 elétrons na última camada de valência, 
materiais chamados trivalentes, ou átomos com 5 elétrons na última camada 
de valência, materiais chamados pentavalentes.
Utilizando impurezas trivalentes, todos os elétrons do átomo de impureza 
formam ligações covalentes com os elétrons do semicondutor. Porém, como 
o semicondutor tem quatro elétrons de valência, e a impureza, apenas três 
elétrons, aparece assim uma lacuna em cada átomo de impureza adicionado 
ao material semicondutor. Portanto, o processo de dopagem cria um número 
controlado de lacunas no material semicondutor, formando os portadores de 
carga majoritária no material. Sendo assim, os elétrons livres passam a ser os 
portadores de cargas minoritárias. Por isso, quando o semicondutor é dopado 
com átomos trivalentes, passa a chamar-se semicondutor do tipo P, como pode 
ser visto na Figura 7 (SCHMIDT, 2010).
Figura 7. Átomo tipo P. Um átomo de índio (In), associado ao cristal de silício, deixa 1 
ligação de valência livre. 
Fonte: Adaptada de Schmidt (2010, p. 102).
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si Si Si Si Si
In
As impurezas trivalentes usadas na dopagem dos semicondutores são 
conhecidas como impurezas aceitadorasm e os átomos mais utilizados na 
indústria são os listados na Quadro 1.
9Materiais semicondutores e aplicações materiais
Impurezas aceitadoras Semicondutor tipo P
Boro (3 elétrons na camada de valência) B
Gálio (3 elétrons na camada de valência) Ga
Índio (3 elétrons na camada de valência) In
Tálio (3 elétrons na camada de valência) TI
Alumínio (3 elétrons na camada de valência) Al
Quadro 1. Impurezas trivalentes usadas na dopagem dos semicondutores
Utilizando impurezas pentavalentes, todos os elétrons do semicondutor 
formam ligações covalentes com os elétrons do átomo de impureza. Porém, 
como a impureza tem cinco elétrons de valência, e o semicondutor, apenas 
quatro, um elétron fica sem ligação e, como esse elétron fica livre, ele vai 
para a banda de condução. Portanto, o processo de dopagem cria um número 
elevado de elétrons na banda de condução, formando portadores de carga 
majoritária no material. Sendo assim, as lacunas passam a ser as portadoras 
de cargas minoritárias. Por isso, quando o semicondutor é dopado com átomos 
pentavalentes, ele passa a se chamar de semicondutor do tipo N, como pode 
ser visto na Figura 8 (SCHMIDT, 2010). 
Figura 8. Átomo tipo N. Uma impureza de antimônio (Sb) dissolvida em um cristal 
de silício (Si) mantém um elétron livre, não associado à estrutura.
Fonte: Adaptada de Schmidt (2010, p. 102).
Si
Si
Si
Si
Si Si
Sb
Si
Si
Si Si Si Si Si
Si
Elétron livre
Materiais semicondutores e aplicações materiais10
As impurezas pentavalentes usadas na dopagem dos semicondutores são 
conhecidas como impurezas doadoras, e os átomos mais utilizados na indústria 
são os listados na Quadro 2.
Impurezas doadoras Semicondutor tipo N
Fósforo (5 elétrons na camada de valência) P
Arsênio (5 elétrons na camada de valência) As
Bismuto (5 elétrons na camada de valência) Bi
Antimônio (5 elétrons na camada de valência) Sb
Quadro 2. Impurezas pentavalentes usadas na dopagem dos semicondutores
Principais aplicações dos semicondutores
Hoje em dia os semicondutores são utilizados em diversas aplicações na 
indústria, mas, quando se trata da indústria eletrônica, é um material de suma 
importância: os dispositivos semicondutores são utilizados nos mais diversos 
tipos de circuitos. A partir dos semicondutores tipo P e tipo N, que você 
estudou neste material, são construídos diversos dispositivos com aplicações 
essenciais em nossa indústria, como os dispositivos utilizados na maioria dos 
sistemas eletrônicos, entre eles os diodos, os diodos emissores de luz (LED), os 
transistores, as células fotovoltaicas e os circuitos integrados, entre outros.
O diodo semicondutor é formado por uma junção PN, isto é, pela união 
de dois materiais: um material do tipo P, que tem as lacunas, como portador 
majoritário, e um material do tipo N, onde os elétrons são os portadores 
majoritários. Com a união desses materiais, o excesso de elétrons presente 
no material do tipo N é atraído para o lado do material tipo P afim de atingir 
a estabilidade elétrica nos dois materiais. Cada átomo do material tipo P tem 
sua lacuna ocupada por um elétrons livre da camada de valência do átomo 
do material tipo N, ficando ambos os materiais com oito elétrons na camada 
de valência de seus átomos. 
11Materiais semicondutores e aplicações materiais
Esse fenômeno da ocupação de uma lacuna por um elétron é chamado de 
recombinação e ocorre inicialmente na região próxima à junção formando 
uma camada de depleção, que significa a ausência de portadores majoritários 
próximos à região da junção P-N. Na Figura 9 você pode ver um diagrama 
esquemático da junção P-N de um diodo (SCHMIDT, 2010).
Figura 9. Junção P-N.
Fonte: Schmidt (2010, p. 102).
junção p-n
p
1 2
n
+
+
+
–
–
–
Quando cessa o fluxo de elétrons na camada de depleção, que é a região 
ionizada, ela fica com ausência de elétrons e lacunas, que é o que permite 
a ocorrência de corrente elétrica, criando assim uma diferença de potencial 
na junção, cuja denominação é barreira de potencial (VƔ). Essa barreira de 
potencialVƔ é de 0,3 Volts nos diodos de germânio e 0,7 Volts nos diodos de 
silício, isso a uma temperatura ambiente de 25 graus Celsius. Na Figura 10 
você pode ver a representação e o símbolo elétrico do diodo.
Materiais semicondutores e aplicações materiais12
Figura 10. Diodo. 
Fonte: Sergey Merkulov/Shutterstock.com
Resumindo, o diodo é o componente semicondutor mais simples utilizado na 
indústria. É um componente eletrônico que deixa passar a corrente elétrica em 
apenas um sentido (sentido direto); no sentido contrário, bloqueia totalmente a 
passagem da corrente elétrica. O diodo é amplamente utilizado na retificação de 
corrente e/ou tensão alternada, como nos carregadores de celulares: a corrente 
elétrica chega pela rede elétrica às tomadas de forma alternada, mas as baterias 
dos celulares somente serão carregadas se a corrente for contínua. Essa conversão 
de corrente alternada para corrente contínua é feita com a utilização de diodo. 
Tensão de ruptura: o diodo é um semicondutor que impede a passagem de corrente elé-
trica quando polarizado inversamente. Se a tensão reversa for aumentada até chegar a um 
certo ponto, pode-se chegar à tensão de ruptura do diodo, danificando o componente.
Os diodos também são utilizados para retificar sinais de áudio e para de-
tecção de sinal de rádio. Existem também os diodos emissores de luz (LED), 
uma tecnologia relativamente recente que utiliza o diodo para produzir luz. 
13Materiais semicondutores e aplicações materiais
Você pode encontrar os LEDs nas mais variadas cores. A Figura 11 mostra 
alguns LEDs coloridos.
Figura 11. Diodo Emissor de Luz – LED.
Fonte: Krasowit/Shutterstock.com.
Exemplo: os LEDs são usados na iluminação para substituir as lâmpadas de forma 
extremamente eficiente e econômica. Na Figura 12 você vê alguns exemplos de 
lâmpadas de LED.
Figura 12. Lâmpadas de LED
Fonte: mnowicki/Shutterstock.com.
Materiais semicondutores e aplicações materiais14
Outro componente semicondutor bastante utilizado é o Transistor. É cons-
truído em uma estrutura de cristais semicondutores, onde duas camadas 
de cristais do mesmo tipo de semicondutor dopado (tipo N ou tipo P) são 
intercaladas com uma camada de material do tipo oposto (tipo N ou tipo P), 
que controla a passagem de corrente entre as duas camadas de mesmo tipo. 
Cada camada do transistor recebe um nome de acordo com a sua função: 
as extremidades do componente são chamadas de Emissor e de Coletor, e a 
camada central é chamada de base. 
O seu funcionamento é essencialmente o de um amplificador de sinal 
elétrico, ou seja, faz um sinal elétrico fraco ficar mais forte. Por exemplo, os 
sinais elétricos gerados por um microfone são sinais elétricos fracos (de baixa 
intensidade), então passam por transistores de maneira a serem amplificados 
para que tenham potência suficiente para serem utilizados nos alto-falantes. 
O transistor ainda funciona como bloqueador de corrente se ela for próxima 
de zero. Na Figura 13 você pode observar alguns modelos de transistores.
Figura 13. Transitores.
Fonte: kup1984/Shutterstock.com.
15Materiais semicondutores e aplicações materiais
Existem diversos tipos de transistores. Para mais informações, acesse:
https://goo.gl/PTWdvt
O componente semicondutor Transistor é tão importante que os processa-
dores e micro controladores, que são componentes eletrônicos utilizados em 
todos os equipamentos modernos com alta tecnologia, como computadores, 
celulares, televisões digitais, etc, possuem em sua construção milhões de 
transistores de tamanhos na casa de nanômetros (Figura 14).
Figura 14. Processador construído com milhões de transistores.
Fonte: MchlSkhrv/Shutterstock.com.
Materiais semicondutores e aplicações materiais16
As Células fotovoltaicas são placas construídas com materiais semicon-
dutores. Esses semicondutores geram tensão elétrica quando expostos à ação 
de um fluxo luminoso, principalmente a luz solar. Sua maior aplicabilidade 
é na produção de energia alternativa. O maior exemplo dessa tecnologia são 
as chamadas Células Solares, células fotovoltaicas que geram energia elétrica 
utilizando como fonte a radiação solar. Esse tipo de energia é considerado 
energia de fonte renovável e sustentável. A Figura 15 mostra a utilização de 
células fotovoltaicas na geração de energia elétrica para o abastecimento de 
uma residência.
Figura 15. Células fotovoltaicas.
Fonte: anweber/Shutterstock.com. 
17Materiais semicondutores e aplicações materiais
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: condutores e semicondutores. 3. ed. rev. ampl. São 
Paulo: Blucher, 2010. v. 1. 
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. 
Porto Alegre: AMGH, 2012.
Leituras recomendadas
MARQUES, A. E. B. Dispositivos semicondutores: diodos e transistores. 11. ed. São Paulo: 
Érica, 2003.
MELLO, H. A. Introdução a física dos semicondutores. São Paulo: Blucher, 1975.
Materiais semicondutores e aplicações materiais18