SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES: PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES:
PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES
Bruna Thais Stuani
Izabela de Oliveira Rissardo
TOLEDO - PR
Abril/2015
INTRODUÇÃO
De acordo com a condutividade elétrica, os materiais podem ser divididos em quatro tipos básicos. Sendo esses, os condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores. Os condutores são aqueles que se submetidos a uma diferença de potencial em sua superfície, são capazes de transportar elétrons, ou seja, conduz corrente elétrica. Já os isolantes, não são capazes de conduzir corrente elétrica.
Nos materiais isolantes, a camada de valência de um átomo está completa de elétrons, o que explica a condição de não haver transporte dos mesmos quando o material isolante for submetido à DDP, já nos materiais condutores, os elétrons da ultima camada são mais energéticos e livres para sair.
Neste contexto, pode-se dizer que um semicondutor é aquele que ora se comporta como condutor e ora se comporta como isolante. Enquanto o supercondutor é aquele que conduz eletricidade com praticamente nenhuma resistência, ou seja, nada de energia elétrica é perdida quando ela flui através de um supercondutor. Desse modo, este trabalho tem como objetivo apresentar os princípios e as aplicações dos semicondutores e supercondutores. 
DESENVOLVIMENTO
SEMICONDUTORES
Os semicondutores, como já dito antes, são uma categoria intermediaria entre os condutores e os isolantes, por apresentarem as características de condutividade dos dois. Para explicar como esses semicondutores funcionam, ou seja, seus princípios,é necessário que se entenda o átomo e o movimento dos elétrons. 
O átomo possui portadores de cargas negativas e positivas, respectivamente os elétrons e prótons, quando o átomo possui uma quantidade igual dos dois, a carga presente no mesmo é zero, está em equilíbrio. Os elétrons estão em constante movimento, já que possuem uma orbita ao redor do núcleo, que é organizada em camadas, para a eletrônica, apenas a camada mais externa dessa orbita é interessante, ou seja, a camada de valência. 
Relacionando o átomo e suas características com a propriedade de um material ser isolante ou condutor, pode-se dizer que o material tem as propriedades de um material isolante quando a ligação dos elétrons for forte, ou seja, se a camada de valência possuir a quantidade máxima de elétrons. Entretanto, quando a camada de valência de um átomo de um material estiver incompleta de elétrons, esses podem ser facilmente desprendidos dos orbitais, configurando a esse material a propriedade de condutor elétrico. Os semicondutores se comparados aos isolantes e condutores, tem suas propriedades elétricas afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimo de impurezas e podem ser divididos em duas categorias: Semicondutores intrínsecos e extrínsecos. 
Ossemicondutores intrínsecos se referem aos materiais que possuem átomos com quatro elétrons na camada de valência que geralmente não ganham e nem perdem elétrons. Esses materiais são denominados puros. Em um semicondutor intrínseco, tanto os elétrons quando as lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Os principais exemplos de semicondutores intrínsecos são Germânio (Ge) e o Silício (Si). 
O átomo de Silício isolado contem quatro elétrons na camada de valência, e quando mais de um átomo deste elemento se combina para formar um cristal sólido cada átomo se posiciona entre outros quatro átomos de Silício, de modo que a valência se intersecta de um átomo ao outro, ao compartilhar elétrons entre quatro átomos próximos, cada átomo de silício sugere ter oito elétrons em sua valência, o que configura uma ligação covalente. Em seu estado puro, ou em baixas temperaturas, o silício é isolante, pois a ligação covalente mantém todos os elétrons firmes, capazes de não conduzir corrente. Entretanto, se a ele for adicionado um átomo de um elemento diferente, ou seja, uma impureza, existirá elétrons excedentes ou lacunas (quando a ligação covalente produz mais espaços do que a quantidade de elétrons presente), e esses elétrons ou lacunas se tornam disponíveis para o transporte de carga se houver uma DDP externa aplicada ao material, ou seja, condutor. Essas características conferem ao silício a capacidade de ser um material semicondutor.
No entanto, os semicondutores extrínsecos são aqueles que passaram por um processo de dopagem por impurezas, ou seja, aos átomos de materiais intrínsecos como o germânio e o silício, foram adicionadas impurezas (átomos estranhos) que foram capazes de alterar a estrutura de suas camadas de energia de maneira que os mesmos perdessem as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Esses materiais são chamados de tipo N e tipo P.
Os materiais dopados do tipo N são aqueles no qual a dopagem consiste em usar elementos (impurezas) que tenham cinco elétrons na camada de valência. O quinto elétron fica desassociado e por sua vez torna-se livre mais facilmente que qualquer outro. O material tipo N que resulta é eletricamente neutro. Já os materiais do tipo P são aqueles no qual a dopagem ocorre pelo uso de elementos trivalentes, agora a uma deficiência de elétrons para completar as ligações e a falta dessa ligação é a lacuna. Como essa lacuna pode ser preenchida, as impurezas são chamadas de receptores. O material tipo P também é eletricamente neutro. 
Os materiais semicondutores têm muitas aplicações práticas, entre elas, o uso na fabricação de transistores e diodos. Eles também têm sido usados em ampla escala na produção de novas tecnologias, como os lasers monocromáticos que se constituem de várias camadas intercaladas desemicondutores com diferentes lacunas que permitem a recombinação dos pares portadores, gerando a luz monocromática, e ainda dirigem a luz num ponto bem definido e específico. 
Outra aplicação importante tem relação com os dispositivos de Arseneto de Gálio, que reduzirão o custo da comunicação via micro-ondas, uma vez que os semicondutores GaAs operam com comprimento de onda menores, que por sua vez propiciam o uso de antes menores e mais baratas. 
O uso de semicondutores além de propiciar a produção de artigos cada vez mais avançados, também vem sendo usado para a produção de artigos cada vez menores. Como no caso dos microchips, onde é possível introduzir milhares de dispositivos em uma chapa pequena de semicondutor. Desse modo, seu uso vem sendo muito explorado e ainda existem muitos problemas interessantes na área dos semicondutores, mas assim como as barreiras foram sendo quebradas conforme o desenvolvimento da ciência e os semicondutores existentes hoje possuem propriedades melhores em relação aos que já existiram, dispositivos melhores serão descobertos com o tempo. 
SUPERCONDUTORES
Supercondutores são materiais que perdem a resistência a corrente elétrica quando estão submetidos à uma certa temperatura. A compreensão dos complexos mecanismos que levam alguns materiais a se comportarem como supercondutores intrigam os cientistas a mais de um século.
O efeito da Supercondutividade foi descoberto em 1911 pelo físico Kamerlingh Onnes após perceber que em temperaturas muito baixas, próximas a 0 K, apresentavam resistência elétrica quase nula, ou seja, os elétrons da rede cristalina ficavam livres para transitar sobre ela. Após a grande descoberta, muitos cientistas iniciaram a busca por materiais que apresentam esse comportamento, preferencialmente a temperaturas mais elevadas. 
 A partir disso, o termo supercondutores vem sendo usado para denotar todos os materiais que, abaixo de uma certa temperatura critica, perdem a resistência a passagem de corrente elétrica, além de apresentar outras propriedades.
Os supercondutores tiveram grande avanço com Leon Cooper, que em 1956 descobriu que elétrons geram uma “supercorrente” quando se deslocam em pares pela estrutura cristalina do material. Em materiais supercondutores dois elétronsde mesma carga podem se associar em um “par de cooper” e se deslocarem juntos na estrutura cristalina por meio dos fônons. 
Em 1957, os físicos John Bardeen, Leon Cooper e Robert Scrieffer apresentaram um modelo teórico que ficou conhecido por Teoria BCS, onde esta concordava muito bem com as observações experimentais nos supercondutores. No entanto, mesmo sendo precisa na explicação da supercondutividade a baixas temperaturas em metais e ligas simples, a teoria BCS revelou-se ineficiente na descrição completa da supercondutividade a altas temperaturas, como nas cerâmicas supercondutoras descobertas na década de 80.
Em abril de 1986 Georg Bednorz e Alex Mueller publicaram suas pesquisas a respeito da condutividade elétrica em uma cerâmica do tipo Perovskita, silicatos semelhantes à areia. A temperaturas de transição mais elevadas e com a comprovação do efeito Meissner nesse sistema, outras cerâmicas foram descobertas com as contribuições de Paul Chu em 1987.
De 1987 ate hoje, os cientistas passaram a procurar intensamente novas cerâmicas supercondutoras e dezenas delas foram descobertas elevando o valor da temperatura critica.
As aplicações tecnológicas dos materiais supercondutores estão relacionadas basicamente com as quatro vantagens que eles possuem em relação aos condutores normais, sendo estas, condução de eletricidade sem perda de energia, permitindo mecanismos com rendimentos extraordinários; Não dissipam calor, reduzindo expressivamente a utilização de circuitos elétricos; Capacidade de gerar campos magnéticos intensos; E podem ser usados para fabricar junções Josephson, as quais são chaves supercondutoras, semelhantes a transistores, que podem comutar cem vezes mais rápido que os mesmos.
 Uma das maiores aplicações em grande escala pode ser exemplificada no caso dos motores elétricos supercondutores que revolucionariam os transportes terrestres e marítimos, dando lugar a uma nova geração de trens, carros e navios. Um exemplo disto é o MAGLEV, que consiste em um trem que alcança velocidades da ordem de 600 km/h. Os trens MAGLEV são mais rápidos porque flutuam cerca de dez centímetros acima dos trilhos, em um "colchão magnético". Eliminando as rodas convencionais e fazendo o trem flutuar, o atrito já não limita a velocidade, existindo apenas o atrito com o ar, que é praticamente eliminado pela aerodinâmica do veículo. 
A utilização de supercondutores na produção de energia, representa uma enorme economia em comparação com os sistemas convencionais atualmente em uso. Usando supercondutores, é possível desenvolver um campo magnético muito mais forte do que aquele obtido por um gerador convencional, e menor fisicamente para a mesma produção de energia. Outra vantagem é que nos supercondutores, a resistência elétrica associada ao fluxo de eletricidade nos enrolamentos do motor do gerador convencional não existe, e com esse aumento na eficiência, os custos relacionados a poluição química e térmica seriam reduzidos expressivamente.
 No caso da Ressonância Magnética Nuclear, no interior do equipamento, existem materiais supercondutores imersos em hélio líquido permitindo gerar campos magnéticos altíssimos pela passagem de corrente elétrica. Esta técnica se baseia em gerar um campo magnético e orientar o spin dos núcleos gerando pulsos magnéticos que irão perturbar a magnetização dos spins e é medido o tempo que o spin demora a voltar à magnetização inicial. A intensidade do campo magnético necessária para orientar o núcleo dos átomos é obtida com o uso de supercondutores. 
Outro importante exemplo é o  Grande Colisor de Hádrons (LHC) do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN) é o maior acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste de um anel de 27 km de magnetos supercondutores para aumentar a energia das partículas ao longo do caminho, com uma aceleração das partículas chegando próximas a velocidade luz é gerado a partir dos supercondutores responsáveis pelo campo magnético necessário.
3. CONCLUSÃO	
Tanto os materiais semicondutores quanto os supercondutores desempenham um papel muito importante no que diz respeitoa evolução das tecnologias criadas pelo homem. O estudo desses materiaispermite conhecer novos mecanismos básicos da natureza, assim como utilizar suas propriedades para importantesaplicações emequipamentos científicos e tecnológicosnas mais diversas áreas.
Os supercondutores ao conseguir aobtenção de temperaturas de transição próximas da temperatura ambiente, obter-se-á um impacto gigantesco na nossa civilização. Todos os meios de transporte por terra que existem hoje à disposição se tornarão obsoletos quando for alcançada a referida temperatura próxima da temperatura ambiente.
Os materiais semicondutores, se bem utilizados e aprimorados, serão excelentes recursos para aproveitamento de energias limpas e renováveis, uma vez que sustentabilidade é um dos principais critérios para o futuro.
Estatísticas recentes afirmam que hoje extraímos uma quantidade de recursos naturais da Terra 20% acima da sua capacidade de recuperação. Com o desenvolvimento dessas tecnologias, pode-se, em longo prazo, reduzir este índice agravante de impacto ambiental que hoje existe. Com isso, o gasto com energia seria menor e, portanto, seria desnecessária tamanha extração de recursos da Terra para a subsistência e o conforto dos seres humanos.
Tecnologias inteligentes garantirão um futuro harmônico entre homem e natureza, de modo que seja possível preservar tanto o planeta, quanto aprópria existência humana, onde tecnologia dos semicondutores e supercondutores é o tipo de tecnologia inteligente que o homem precisa desenvolver para evoluir sem causar maiores impactos à Terra. Se o homem souber utilizar com sabedoria os recursos naturais que o planeta provém a ele e aos outros seres vivos, todos viverão uma vida mais próspera,no qual esse tipo de tecnologia é imprescindível.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BRANICIO, P.S Introdução à Supercondutividade, Suas Aplicações e a Mini-Revolução Provocada Pela Redescoberta do MgB2: Uma Abordagem Didática- Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 23- Universidade Federal de São Carlos.
Disponível em: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-temperatura-ambiente&id=010115141212#.VSUtvPnF-Ww. Acesso em: 05/04/15.
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OLIVEIRA,R.C.T.Semicondutores, Transístores e Supercondutividade-UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL­REI, Ouro Branco/MG, 2009.
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TOOLEY, M. Circuitos eletrônicos: Fundamentos e aplicações. 3 Edição. Rio de Janeiro: 2007.
UFMS. Condutores, Isolantes, Semicondutores e Supercondutores. Disponível em: <http://coral.ufsm.br/cograca/graca5_3.pdf> Acesso em: 06 de Abril.2015 às 10h42min.