F_sica_de_Dispositivos_Eletr_nicos_02

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MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE 
 
 São materiais que não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica. 
Quanto menor for a oposição a passagem de corrente, melhor condutor é o material. O 
que caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência estar 
fracamente ligados ao átomo, encontrando grande facilidade para abandonar seus 
átomos e se movimentarem livremente no interior dos materiais. O cobre, por exemplo, 
com somente um elétron na camada de valência tem facilidade de cedê-lo para ganhar 
estabilidade. O elétron cedido pode tornar-se um elétron livre. 
 
 
MATERIAIS ISOLANTES 
 
 São materiais que possuem uma resistividade muito alta, bloqueando a passagem 
da corrente elétrica. Os elétrons de valência estão rigidamente ligados aos seus átomos, 
sendo que poucos elétrons conseguem desprender-se de seus átomos para se 
transformarem em elétrons livres. 
 Consegue-se isolamento maior (resistividade) com substâncias compostas 
(borracha, mica, baquelita, etc.). 
 
MATERIAL SEMICONDUTOR 
 
 Materiais que apresentam uma resistividade elétrica intermediária. Como 
exemplos têm o germânio e silício. Quando puros e cristalinos, a temperatura muito 
baixas, são excelentes isolantes. 
 A condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta 
significativamente com a temperatura e a temperatura ambiente, exibem baixa 
condutividade, tornando-se condutores se consideravelmente aquecidos. A grande 
diferença entre os materiais está em termos dos mecanismos de condução elétrica 
conforme ilustra a figura. 
 
 
 
 A figura abaixo faz um comparativo bastante ilustrativo entre os diferentes 
materiais. 
 
 
 
 Em geral a estrutura da banda de energia para os semicondutores pode ser a 
ilustrada na figura abaixo. 
 
 
 
 
 
 A condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela 
excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. 
 A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 
libertá-lo na banda de condução é o que determina se um sólido será um condutor, 
semicondutor ou isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1 eV 
(elétron-volt). 
 A unidade eV corresponde a energia de um elétron com potencial elétrico de 1 
Volt. A unidade eV é mais apropriada para o mundo atômico que a unidade 
convencional da energia, o Joule. A relação entre as unidades é 1 eV = 1,69E-19 J. 
 Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que 
conseguiram pular para a banda de condução. Os buracos também chamados de lacunas 
que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão 
importante que estes buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, 
oposta à do elétron. 
 
ESTRUTURAS CRISTALIZADAS 
 
 Os cristais de silício ou germânio, são encontrados na natureza misturados com 
outros elementos. Dado a dificuldade de se controlar as características destes cristais é 
feito um processo de purificação do cristal e em seguida é injetado através de um 
processo controlado, a inserção proposital de impurezas na ordem de 1 para cada 106 
átomos do cristal, com a intenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. A 
este processo de inserção dá-se o nome de dopagem. 
 As impurezas utilizadas na dopagem de um cristal semicondutor podem ser de 
dois tipos: impureza doadora e impurezas aceitadoras. 
 
Átomo isolado de Silício possui: 
 
 14 prótons e 14 elétrons; 
 Órbitas estáveis: Primeira – 2 elétrons; Segunda – 8 elétrons; Terceira – 4 
elétrons (tetravalente); 
 Eletricamente neutro 
 
 
 
 Um átomo de silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência, 
porém para ser quimicamente estável, precisa de oito elétrons; 
 Combina-se então com outros átomos de forma a completar os outros elétrons na 
sua órbita de valência; 
 Quando os átomos de silício se combinam entre si para formar um sólido, eles se 
arranjam numa configuração ordenada denominada cristal; 
 As forças que mantém os átomos unidos são denominadas ligações covalentes; 
 O átomo central apanha 4 elétrons emprestados, o que lhe dá um total de 8 
elétrons na camada de valência, adquirindo estabilidade química para formar o 
sólido. 
 
 
 
 
 Os átomos que possuem 4 elétrons na última camada de valência não são 
estáveis. Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma 
com que agrupam seus átomos (cada átomo fica eqüidistante e, relação a quatro 
outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a 
estabilidade fazendo quatro ligações químicas covalentes; 
 A estrutura cristalina básica dos mais importantes semicondutores é chamada de 
cúbica como a ilustrada na figura. 
 
 
 
 Um cristal de silício é intrínseco se todos os átomos do sólido forem de silício. 
A condutividade do silício a temperatura ambiente de 25°C é tão baixa que não 
existe aplicação prática para o mesmo. Uma maneira de aumentar a 
condutividade de um cristal de silício é introduzindo átomos de impureza; 
 A Dopagem de um semicondutor consiste em introduzir no cristal, átomos de 
impurezas. O objetivo da dopagem é aumentar a condutividade do cristal. Um 
semicondutor dopado com átomos de impurezas é um semicondutor extrínseco. 
 
 
IMPUREZA DOADORA - Semicondutor Tipo-N 
 
 São adicionados átomos pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência. 
Ex.: Fósforo e Antimônio). O átomo pentavalente entra no lugar de um átomo de silício 
dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligações covalentes, e fica um elétron 
fracamente ligado ao núcleo do pentavalente (uma pequena energia é suficiente para se 
tornar livre). 
 
 É um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja, átomos que 
possuem cinco elétrons na camada de valência. Como exemplos de substancias 
pentavalentes podemos citar o arsênio, antimônio e fósforo. Quando átomos de 
impurezas se associam com os outros átomos, um dos elétrons da camada de 
valência, sobe para a banda de condução, porque ele só precisa de quatro 
elétrons na camada de valência para estabelecer a ligação covalente. Para cada 
átomo de impureza introduzido no cristal, aparecerá um elétron livre. 
 Quando um cristal de silício puro é dopado com átomos pentavalentes, ele se 
transforma num semicondutor tipo N. Possuindo uma grande quantidade de 
elétrons livres e algumas lacunas provenientes da quebra de ligações covalentes, 
e sua condutividade é maior na banda de condução. 
 
 
 
 
 
IMPUREZA ACEITADORA - Semicondutor Tipo-P 
 
 São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétrons na camada de valência. Ex.: 
Boro, alumínio e gálio). O átomo trivalente entra no lugar de um átomo de silício dentro 
do cristal absorvendo três das suas quatro ligações covalentes. Isto significa que existe 
uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. 
 É obtido através da injeção de átomos trivalentes no cristal puro. Como 
exemplos de impurezas trivalentes podemos citar o alumínio, boro e gálio. 
Como um átomo trivalente possui três elétrons na camada de valência, uma 
lacuna será criada quando o mesmo for se associar com os átomos vizinhos 
através da ligação covalente. Para cada átomo de impureza, aparecerá uma 
lacuna. 
 Um semicondutor tipo P possui uma grande quantidade de lacunas e alguns 
elétrons livres produzidos termicamente, devido a quebra de ligações covalentes. 
Dessa forma a condutividade aumenta na camada de valência. 
 
 
 
 A figura abaixo ilustra como acontece a condução da corrente nos terminais 
semicondutores tipo “n” e tipo “p”dos dispositivos eletrônicos. 
 
 
 
LIGAÇÕES COVALENTES 
 
 Cada átomo vizinho cede um elétron com o átomo central, desse modo, todos os 
átomos contribuem para que haja quatro elétrons adicionais dando um total de oito 
elétrons na sua orbita de Valencia. Os átomos são compartilhados pelos átomos ao 
redor. 
Como cada elétron cedido esta sendo puxado em sentidos opostos, o elétron é uma 
ligação entre as partes centrais opostas, chamado de LIGAÇÃO COVALENTE. Esta 
ligação mantém os átomos de cristal ligados formando um sólido. 
 
SEMICONDUTORE TIPO P e N 
 
 Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou um 
excesso de lacunas, por isso existem semicondutores de tipo P e N 
 
SEMICONDUTOR TIPO N