Trabalho semicondutor

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Semicondutores
Nomes:
 Lucas Lisboa dos Santos – N817EC0
Rafael Henrique Costa da Silva - C353620
Edson Fernando de Jesus – T609160
Gustavo Ruiz Santos – C172GD5
Charles Farias Alves – C345105
Lucas Ramos Streitenberger – CO1ACI0
O que é um elemento semicondutor? 
Elemento Semicondutor é um elemento que possui, em sua constituição atômica, 4 elétrons na camada de valência (mais externa na distribuição eletrônica). Isso dá ao elemento uma característica incrível pois não tem facilidade de perda de elétrons como o condutor da mesma forma que não tem a mesma estabilidade energética de um material isolante, de forma que possa impossibilitar a passagem de elétrons. 
É comum vermos o semicondutor ora trabalhando como um isolante, ora trabalhando como um condutor (mesmo que não tenha um trabalho tão satisfatório).
 Informações relevantes :
 Antes mesmo da obtenção em laboratório já tínhamos o uso de materiais que se comportavam como semicondutores naturais como a Galena, por exemplo. 
 O semicondutor é o material que revolucionou toda a história da tecnologia atual.
 Teve início no ramo industrial com os estudos do Si (Silício) e Ge (Germânio) na década de 30. 
Desenvolvimento dos materiais entre os anos de 30 a 60. 
 Em 1947 foi construído o 1º transistor de Germânio.
 Em 1954 foi criado o 1º Transistor Comercial de Silício, pela Texas Company .
Construção 
 Os materiais semicondutores mais fáceis de se encontrar são formados com átomos de um único elemento com 4 elétrons na camada de Valência. Por possuírem 4 elétrons em sua última camada são chamados de átomos tetravalentes. Esses átomos normalmente se juntam em ligações covalentes (ou seja, que compartilham seus elétrons). Como estudado em Química Básica, as ligações covalentes são fortemente ligados, gerando alta consistência e resistividade elétrica. 
Os materiais encontrados em sua forma natural, geralmente contêm certo grau de impurezas que se instalam durante o processo de formação desses materiais. Essa situação pode ser caracterizada como um processo de dopagem natural. Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas.
Os passos para a fabricação do semicondutor a base de silício são:
O silício é extraído do minério de sílica
É purificado por processos químicos e por fusão/ressolidificação.
O silício bruto é fundido num forno a temperatura de fusão de 1410 graus Celsius.
Uma “semente” monocristalina é introduzida na superfície do silício fundido. 
A tração controlada da semente faz crescer uma estrutura monocristalina ao redor da semente (processo Czochralski)
A superfície do lingote é retificada e após ele é fatiado (slicing) em lâminas com menos de 1 mm de espessura
O diâmetro do lingote define o tamanho da lâmina (wafer)
As lâminas são polidas e decapadas quimicamente
A superfície é dopada homogeneamente por difusão ou crescimento epitaxial (menos defeitos)
Após uma inspeção final, estão prontas para uso
Dopagem
Considerando o tratamento de um cristal de elemento puro, podemos realizar a dopagem do mesmo, a partir de inserção de elementos estranhos ao cristal. E isso é muito importante, pois podemos manipular as propriedades elétricas do semicondutor, conforme veremos a seguir: 
Semicondutor Tipo N 
Quando no processo da dopagem se coloca no cristal elementos pentavalentes (5 elétrons na camada de valência), forma-se o semicondutor tipo N. Conforme na verificação da figura abaixo, ao inserir um elemento com 5 elétrons, acaba sobrando 1 elétron na sua camada final. Isso ocorre por exemplo, na inserção de átomos de Fósforo num cristal de Silício. Esse Cristal apresenta características de sobra de elétricos, o deixando com características mais negativas. 
 
Semicondutor Tipo P 
Quando no processo da dopagem se coloca no cristal elementos trivalentes (3 elétrons na camada de valência), forma-se o semicondutor tipo P. 
abaixo, ao inserir um elemento de 3 eletróns, acaba sobrando 1 lacuna na sua camada final. Esse cristal então apresenta uma sobra de lacunas. Perceba que, ao se respeitar as propriedades de ligação elétricas, temos uma oportunidade de provocar o fluxo de elétrons livres para suas respectivas lacunas, assim entendo que num cristal tipo P, temos uma característica mais positiva. 
Junção PN
Os elétrons livres se ligação com as lacunas; 
A diminuição do número de elétrons e lacunas existentes em ambos os lados produzirão cargas positivas do lado N e cargas negativas no lado P. A essa região se dá o nome de região de cargas descobertas ou região de Depleção
Isso causa um impedimento da passagem de elétrons para o outro lado, gerando a barreira de potencial
Para vencer a barreira, é necessário uma tensão suficiente para “empurrar” os elétrons do lado N para o lado P. A isso damos o nome de tensão de Barreira (Vb).
 
-Para elementos como Silício essa tensão de barreira será de aproximadamente de 0,7V e a tensão de barreira para o Germânio de 0,3V. 
-O cristal dessa forma, depois de encapsulado e com os terminais inseridos se dá o nome de diodo. 
O diodo é considerando o elemento semicondutor mais simples de ser fabricado e a partir dele, temos toda a gama de estudos sobre os elementos semicondutores. Transistores, Tiristores, SCRs, etc, são componentes com características mais específicas, porém do funcionamento de suas funções de Cristal N e P são as mesmas a serem estudadas conforme o exemplo do diodo. 
Aplicações
 TRANSISTOR (PROCESSADORES) 
- Como falando anteriormente, em 1947 os laboratórios BELL desenvolviam uma tecnologia para a substituição da válvula para a construção dos primeiros computadores da época. A válvula se mostrava inviável para as atribuições e chaveamento do sinal, pelo seu tamanho, pela quantidade de energia necessária para o seu funcionamento, pelo seu desprendimento de calor, entre outras coisas. Assim sendo, conseguiram desenvolver o transistor. O transistor possui características semelhantes da válvula como a amplificação do sinal de entrada, a utilização de condições de sinal “On” e “Off” – Ligado ou desligado – 1 ou 0, base de toda a eletrônica Digital conhecida, e ainda tinha um custo de construção menor, um baixíssimo consumo de energia a se comparar aos outros componentes da época, além de quase não produzir calor. 
Os cientistas ainda tinham a vantagem de miniaturizar o componente, o que diminuía seu custo. Outra vantagem era o fato do transistor poder mudar o seu estado de 0 para 1 e vice-versa milhões de vezes por segundo. Isso garantiu um rápido processo de desenvolvimento de processadores. Para se ter uma ideia, um processador possui bilhões de transistores mudando de estados 1 e 0 entre si, permitindo os circuitos realizarem cálculos simples, alterar a cor da tela do computador, mudar o mouse, decodificar a ordem de uma letra do teclado, entre outras coisas.  
 SMD 
 Tecnologia que em sua em inglês significa (Surface Mount Device), é somente o mais importante evento no mundo eletrônico do século passado. O SMD permitiu a miniaturização de praticamente todos os componentes eletrônicos e sua aplicação sem a necessidade de terminais reduziu ainda mais os equipamentos eletrônicos.  
 Qualquer coisa que você imaginar que trabalha em meio eletrônico hoje como TV, controles Remotos, aparelhos de som, Telefones Celulares, ou qualquer coisa que possua um Circuito Integrado tem hoje o seu tamanho reduzido (acessível) devido a aplicação do SMD. Alguém imagina a utilização de um telefone celular com o mesmo tamanho de um telefone dos anos 90? Isso explica bem a importância do SMD para o mercado de tecnologia. 
LED
O LED é um componente eletrônico semicondutor, ou seja, um diodo emissor de luz ( L.E.D = Light emitter diode ), mesma tecnologia utilizada nos chips dos computadores, que tem a propriedade de transformar energia elétrica em luz. Tal transformação é diferente da encontrada nas lâmpadas convensionais que utilizamfilamentos metálicos, radiação ultravioleta e descarga de gases, dentre outras. Nos LEDs, a transformação de energia elétrica em luz é feita na matéria, sendo, por isso, chamada de Estado sólido ( Solid State ).
O LED é um componente do tipo bipolar, ou seja, tem um terminal chamado anodo e outro, chamado catodo. Dependendo de como for polarizado, permite ou não a passagem de corrente elétrica e, consequentemente, a geração ou não de luz.
O componente mais importante de um LED é o chip semicondutor responsável pela geração de luz. Este chip tem dimensões muito reduzidas.
Apesar do LED ser um componente muito comentado hoje em dia, sua invenção, por Nick Holonyac, aconteceu em 1963, somente na cor vermelha, com baixa intensidade luminosa ( 1 mcd ). Por muito tempo, o LED era utilizado somente para indicação de estado, ou seja, em rádios, televisores e outros equipamentos, sinalizando se o aparelho estava ligado ou não.
O LED de cor amarela foi introduzido no final dos anos 60. Somente por volta de 1975 surgiu o primeiro LED verde – com comprimento de onda ao redor de 550 nm, o que é muito próximo do comprimento de onda do amarelo, porém com intensidade um pouco maior, da ordem de algumas dezenas de milicandelas.
Durante os anos 80, com a introdução da tecnologia Al ln GaP, os LEDs da cor vermelha e âmbar conseguiram atingir níveis de intensidade luminosa que permitiram acelerar o processo de substituição de lâmpadas, principalmente na indústria automotiva.
Entretanto, somente no início dos anos 90, com o surgimento da tecnologia InGaN foi possível obter-se LEDs com comprimento de onda menores, nas cores azul, verde e ciano, tecnologia esta que propiciou a obtenção do LED branco, cobrinho, assim, todo o espectro de cores.
Até então, todos estes LEDs apresentavam no máximo de 4.000 a 8.000 milicandelas, com um ângulo de emissão entre 8 a 30 graus. Foi quando, no final dos anos 90, apareceu o primeiro LED de potência Luxeon, o qual foi responsável por uma verdadeira revolução na tecnologia dos LEDs, pois apresentava um fluxo luminoso ( não mais intensidade luminosa ) da ordem de 30 a 40 lumens e com um ângulo de emissão de 110 graus.
Hoje em dia, temos LEDs que atingem a marca de 120 lumens de fluxo luminoso, e com potência de 1,0 – 3,0 e 5,0 watts, disponíveis em várias cores, responsáveis pelo aumento considerável na substituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação.
Inovaçoes
Grafeno
O grafeno foi produzido pela primeira vez em 2003, tendo sido o primeiro material descoberto no qual os elétrons podem se movimentar como se não possuíssem mass, algo diretamente ligado ao design em forma de favo de mel formado por átomos de carbono.
Ele é ultraleve, é 100 vezes mais rápido que o silício, se mostra 200 vezes mais forte do que o aço e tem diversas características ópticas e térmicas que, pelo menos nos testes básicos, são surpreendentemente favoráveis a diversas aplicações.
Uma bateria de grafeno pode ser recarregada totalmente em 13 minutos.
Além de servir para a evolução dos mais diversos equipamentos eletrônicos, o grafeno também apresenta diversas outras aplicações – como purificar a água, por exemplo, inclusive transformando a água salgada em potável. A ideia é simples e segue os mesmos princípios dos filtros tradicionais.
Existe o efeito Hall de spin, que é um método efetivo para controlar a condução de uma corrente num dispositivo eletrônico
Um dos problemas do grafeno, é que ele é muito sensível à presença de uma rachadura. Já o aço tem uma enorme resistência à extensão de rachaduras. “O grafeno é mais parecido com o vidro das nossas janelas.
O grafeno também não pode realizar o chamado efeito Hall de Spin, nem mesmo em baixas temperaturas.
Desde que foi descoberto por Andre Geim e Konstantin Novoselov, o grafeno vem atraindo atenções. Formado por ligas planas de carbono, o material que rendeu o prêmio Nobel aos dois cientistas gera altas expectativas. São muitas as possíveis aplicações, mas, atualmente, o seu custo é proibitivo: são cerca de mil euros por um pedaço do material.
Agora, um estudo conduzido por Shou-En Zhu, candidato a PhD, pode reduzir drasticamente o preço do grafeno. "Nós esperamos reduzir o preço por um fator de mil e fazê-lo custar cerca de 1 euro o pedaço em alguns anos", escreve o cientista em sua tese.
Embora vários métodos tenham sido testados para obter o grafeno, o jeito original, criado por Geim e Novoselov, ainda é o que permite a confecção que menos produz falhas. Chamada de esfoliação, a técnica é incrivelmente simples: pintar uma área com lápis e ir retirando as camadas de grafite com fita adesiva até que sobre apenas uma espessura de carbono.
Algumas aplicações já estão usando grafeno, como em seu site a fabricante de raquetes de tênis HEAD anuncia um modelo que conta com grafeno em sua composição. Segundo a empresa, o material permite a melhor distribuição do peso e dá mais velocidade ao saque de jogadores como o sérvio Novak Djokovic.
Já em um estudo de cientistas da Rice University identificou que o óxido de grafeno tem entre suas propriedades a capacidade de remover material radioativo de água contaminada. Um experimento liderado por pesquisadores do MIT (Massachussets Institute of Technology) mostrou que o grafeno tem a propriedade de filtrar as partículas de cloreto de sódio presentes na água salgada. Outro trabalho, agora da universidade inglesa de Manchester, mostrou que o grafeno é impermeável a tudo, exceto uma coisa: água - o que pode ajudá-lo a filtrá-la.
Uma outra aplicação seria um papel anti-bactérias para embalar alimentos foi criado na Universidade de Xangai. Feito à base de grafeno, ele só é permeável à água e inibe o crescimento de micro-organismos. Alem das infinitas possibilidades na área da eletrônica, possivelmente substituindo os semicondutores de silício e germânio, um exemplo disso é que na universidade americana de Columbia, engenheiros usaram o grafeno para desenvolver o menor transmissor de frequência modulada (FM) de que se tem notícia. 
Nanotubos de carbono.
Enquanto o grafeno é uma folha de átomos de carbono, o nanotubo de carbono é um grafeno enrolado em forma de cilindro.
Os nanotubos de carbono, NTC (CNT, do inglês carbon nanotube), são cilindros ou tubos ocos formados por alótropos do carbono com proporções nanométricas (1 nanômetro é igual à bilionésima parte de um metro (10-9 m)). Para você ter uma ideia, é como se fosse uma folha de papel enrolada, mas é formada por átomos de carbono e tem a espessura de apenas um átomo. Eles são 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo e invisíveis até para microscópios ópticos. Os nanotubos também apresentam extraordinárias propriedades mecânicas, pois são bastante resistentes à ruptura sob tração, sendo 100 vezes mais resistentes que o aço e possuindo apenas 1/6 de sua densidade. Por isso, eles também poderão ser usados na construção civil e até mesmo na construção da fuselagem de aviões, carros, foguetes e ônibus espaciais da NASA. Se forem adicionados a tecidos, os nanotubos poderiam torná-los indestrutíveis, sendo mais eficientes que o polímero Kevlar usado em coletes à prova de balas.
Outra propriedade importante dos nanotubos de carbono é a extraordinária condução térmica, podendo ser usados em processos de conservação e transmissão de energia, como a energia solar, sendo muito mais eficientes que as células fotovotaicas que são usadas hoje em dia.
Os nanotubos também possuem um enorme potencial de utilização na medicina. Por serem extremamente pequenos e leves, podem chegar ao interior de uma célula para serem utilizados como sensores para diagnósticos e tratamentos médicos. Entretanto, um fator que atrapalha essa aplicação dos nanotubos é que eles matam as células com as quais têm contato. Para impedir isso, alguns cientistas estão propondo que os nanotubos sejam recobertos com um polímero sintético capaz de imitar uma substância da superfície celular, a mucina.
Mercado de semicondutores
EUA, Japão, Coreia do Sul,Taiwan, Cingapura e União Europeia desde 1960.
 Esse mercado tem um potencial brilhante de crescimento, principalmente com o aumento na demanda de semicondutores para indústrias de dispositivos móveis e inteligentes, por exemplo.
Não é à toa que esse mercado seja reconhecido como um dos mais importantes para as economias modernas: esses pequenos chips fazem parte de núcleos essenciais de inúmeros dispositivos tecnológicos que vão desde telefones celulares, smarttvs, até dispositivos médicos e sistemas militares. Inclusive, é dos avanços feitos na tecnologias dos semicondutores que foram desenvolvidos pequenos e caseiros computadores, equipamentos de telecomunicação digital, robôs industriais etc.
Segue abaixo um gráfico indicando o crescimento no consumo de semicondutores e a expectativa até 2020 por setor, na escala de milhões de dólares:
Conclusão 
Muito utilizado em equipamentos eletrônicos, os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com grande facilidade. Verificamos que semicondutores podem ser de silício ou germânio, utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos, como, por exemplo, os transistores. O mercado de semicondutores está em constante expansão e devido a novas pesquisas e materiais descobertos, a expectativa é que teremos novos dispositivos, novas aplicações e maior crescimento na utilização de semicondutores.