Materiais condutores e semicondutores

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MATERIAIS CONDUTORES E SEMICONDUTORES
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS E ELEMENTOS EMPREGADOS
P.C.P. Vianna
Departamento de Engenharia Elétrica
Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA
Alegrete-RS, Brasil
paulo.piovesan88@gmail.com
Abstract—Conductors and semiconductor materials are applied to various forms of our everyday life, from simple electronic appliances to complex electrical systems. Both feature a number of important chemical, physical and electrical characteristics, which vary from one element to another, which we mention the conductivity as a major. The main elements found in conductive Aluminum and Copper are present in the distribution lines and mains transformers. Your choice depends on the objective pursued by the electrical design and it often falls on the final cost factor. Semiconductor materials present intermediates attributes when compared to conductors and insulators. Its sensitivity to impurities make the elements capable of having its electrical characteristics controlled via electronic doping process. The chemicals most often used as semiconductors are Silicon and Germanium, both applications in particular integrated circuits.
Keywords—Materials, Conductors, Semiconductors, Conductivity, Applications.
 introdução
Os materiais condutores e semicondutores são encontrados em todas as partes, desde os transistores presentes nos processadores até as grandes redes de alta tensão. É através da natureza desses materiais e de suas propriedades atômicas que ocorrem efeitos elétricos como a tensão e a corrente elétrica, parâmetros amplamente avaliados durante a análise ou desenvolvimento de um projeto elétrico. Muitas vezes a correta escolha dos materiais condutores e semicondutores para um empreendimento elétrico pode reduzir significativamente problemas relacionados a custos e características especificas demandadas, sejam elas físicas ou elétricas. Assim, torna-se necessário conhecer os conceitos básicos relacionados a estes componentes, bem como os principais elementos químicos e suas formas de aplicação.
Este artigo terá como propósito, explorar os principais conceitos relacionados aos materiais condutores e semicondutores, discutindo a cerca de suas características químicas, físicas e elétricas básicas. Para um segundo momento serão abordados os principais tipos de elementos químicos empregados em condutores e semicondutores, e suas aplicações. Por fim, o assunto será concluído, procurando demonstrar quais aspectos foram relevantes durante o desenvolvimento do trabalho.
materiais condutores
Características gerais
Os materiais condutores, como o próprio nome, são caracterizados pela fácil condução de corrente elétrica. Logo apresentam como principal atributo a elevada condutividade, grandeza inversamente proporcional a resistência. Assim, bons condutores apresentam baixa resistência à passagem de corrente. Mas não apenas essa característica faz de um material ser um bom condutor, pois existem outras importantes características, dentre elas a facilidade de doação de elétrons, ou seja, a presença de elétrons livre na última camada da eletrosfera. Além desse, outros importantes aspectos são inerentes aos bons condutores. A classe de elementos que mais se encaixam a um material condutor são os metais. Os metais do ponto de vista atômico apresentam elevada eletropositividade e raio atômico, enquanto que do ponto de vista físico, são dúcteis, maleáveis e com elevada condutividade térmica. Todas essas características fazem dos metais a categoria de elementos que mais fornecem materiais condutores. 
É importante ressaltar que grande parte do materiais condutores estão associados a eletricidade, portanto, vale lembrar de outro importante parâmetro utilizado para determinar se um metal é um bom condutor ou não, através da resistividade elétrica (Ω.m). A equação (1) estabelece a relação entre a resistividade e as dimensões de um material condutor.
(1)
Onde:
 Resistência do material (Ω);
 Resistividade do condutor (Ω.m);
 Comprimento do condutor (m);
 Área de secção transversal do condutor (m2).
A resistividade é definida como a razão do campo elétrico pela densidade de corrente elétrica, assim a resistividade é dada pela equação (2).
 (2)
Onde:
 Resistividade do condutor (Ω.m);
 Campo elétrico (V/m);
 Densidade de corrente elétrica (A/m2).
Principais materiais condutores e algumas aplicações
Apesar da elevada quantidade de metais presentes na natureza, nem todos obedecem aos requisitos de materiais condutores, quer pela dificuldade ou pelo custo de sua extração. Grande parte dos metais condutores mais utilizados são abundantes na natureza e também preenchem a maioria das características apresentadas no tópico anterior. Dentre eles podemos citar o Cobre, o Alumínio, o Chumbo, a Platina, o Ouro e dentre outros.
O Cobre é um elemento químico caracterizado pela reduzida resistividade e baixo ritmo de oxidação. Sua elevada ductilidade permite que sejam reproduzidos condutores na ordem de milímetros sem que os mesmos rompam. Pode ser combinado em ligas para o complemento de alguns atributos. Sua principal limitação é o custo elevado, contudo, a relação custo benefício pode ser favorável, visto as várias características positivas que apresenta. É amplamente empregado na constituição interna dos transformadores da rede elétrica, de instalações elétricas, de dispositivos eletrônicos e etc. [1]
O Alumínio apresenta como atributos a baixa resistividade, porém maior ritmo de oxidação. Tem como principal problema a baixa resistência mecânica a deformações. Sua principal vantagem é seu reduzido custo, além disso, apresenta menor densidade o que lhe permite conduzir a mesma quantidade de cargas que o Cobre, por exemplo, mas com menor necessidade com relação às dimensões de condutor. Na eletricidade é empregado em maior volume em linhas de transmissão, visto a grande quantidade de condutores exigida, em razões das grandes distâncias. [1]
O Chumbo, elemento de baixa condutividade e de fácil oxidação. Contudo apresenta elevada resistência a vibrações mecânicas. Sua aplicação se dá no revestimento e proteção de condutores. [1]
A Platina, ainda que pouco conhecida, apresenta vantagens, como elevada resistência à oxidação, boa ductilidade. Além disso, mantém a plena condutância mesmo a elevadas temperaturas. Apesar de todas essas vantagens, é bastante escassa, elevando seu valor final. É aplicada principalmente em eletrodos e contatos elétricos. [1]
O Ouro, minério de elevada condutividade e resistência à oxidação, também de alta resistência a deformações. É encontrado na microeletrônica, onde alguns dispositivos requerem a baixa passagem de valores de corrente sem interferências externas como a oxidação. [1]
materiais semicondutores
Os materiais semicondutores contemplam a categoria de elementos com características intermediárias entre condutores e isolantes. São aplicados em grande escala na microeletrônica, com destaque nos transistores MOS (Metal-Óxido-Semicondutor). São materiais que caracterizam-se por apresentarem banda de valência preenchida e banda de condução vazia, sendo que durante a passagem de um elétron de uma banda a outra há ocorrência de perda de energia, da qual é repassada ao restante do sistema de partículas. Com relação à condutividade, são menos condutivos que os metais, mas mais condutivos que os isolantes. Contudo, apresentam uma característica elétrica especial, quando detectada qualquer impureza os mesmos tornam-se mais condutivos. Logo esses materiais podem ter sua condutividade controlada pela adição de impurezas. Uma técnica bastante utilizada para adição de impurezas com a finalidade de controle da condução é a dopagem eletrônica. [2]
Os materiais semicondutores podem ser separados em duas classes, em intrínsecos e extrínsecos. Semicondutores intrínsecos são aqueles em que seu grau de pureza é próximo dos 99,99%, o que exigem processos de fabricação e refinamento mais eficazes. Já ossemicondutores extrínsecos são obtidos pelo processo de dopagem, e por isso, tem suas características elétricas alteradas. Destes podemos citar dois tipos de semicondutores extrínsecos, os do tipo n e do tipo p. [2] 
Os tipo n são condutores que possuem excesso de elétrons livre e sofrem a adição de compostos pentavalentes para aumentar o número de portadores de carga livres, assim das cinco ligações covalentes mantém quatro, deixando uma livre. O Boro é o principal elemento para obtenção dessa classe de semicondutor. [2]
Os tipo p diferentemente dos tipo n, apresentam lacunas em excesso, além disso, são trivalentes. O elemento dopante ocupa apenas três ligações da estrutura, mantendo uma lacuna livre para o recebimento de elétrons livre de átomos próximos. Como principal exemplo para essa segunda classe de semicondutores temos o Fósforo. [2]
Silício e Germânio como semicondutores e aplicações
Até aqui citamos as principais características dos materiais semicondutores, além de algumas formas como são classificados, agora vamos nos ater a especificar os principais elementos empregados na composição desses materiais, com ênfase no Silício e no Germânio.
O Silício é um semimetal amplamente utilizado em circuitos integrados, principalmente na obtenção de wafers. Possui atributos como excelente material micromecânico, de baixa densidade e elevada dureza. Em determinadas aplicações também atua com bom isolante térmico. Em termos de eletricidade, apresenta piezeletricidade, ou seja, gera tensão elétrica através de pressão mecânica. O Silício pode ser encontrado em uma vasta gama de aplicações, como células fotovoltaicas, na composição de ligas metálicas e também na indústria de cerâmicas. [3]
Outro elemento também utilizado como semicondutor é o Germânio. Assim como o Silício, também é empregado em circuitos transistorizados, por apresentar boa condutividade, resistência à acidez e a alcalinidade, além de elevada dureza. Contudo, sua aplicabilidade é limitada pelo seu elevado custo de obtenção. Apresenta muitas aplicações, como a produção de fibras ópticas, composição de ligas metálicas, em detectores de infravermelho e etc.
conclusão
Abordagem sobre materiais condutores e semicondutores é de grande importância, visto a sua vasta área de aplicações na engenharia, ou na própria promoção da nanotecnologia. Pode-se perceber que o conhecimento das características básicas desses elementos é fundamental, pois sua escolha impacta diretamente nos objetivos finais de um projeto elétrico, seja ele a nível de transistores que trabalham na ordem de 10-3 V ou uma rede de transmissão elétrica com tensões nominais de 103 V. 
Referências bibliográficas
CARMO, M. MAPA, R. S. Eletrotécnica Geral I, Materiais Elétricos. Universidade Federal de São João Del-Rei. 2008. 10 p.
Metal. Disponível em:< http://pt.wikipedia.org/wiki/Metal>. Acesso em: nov. 2014.
ZURITA M. Eletrônica I: Semicondutores. Teresina: Universidade Federal do Piauí, 2010. 31 slides: color. Slides gerados a partir do software PowePoint.
Silício e Germânio. Disponível em:< http://pt.wikipedia.org/>. Acesso em: nov. 2014.