Materiais Semicondutores

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Materiais Semicondutores
1.Conceito
 Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores.
 De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin)ou (-273,15 °C) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de valência.
 Um facto conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. elétrons.
Figura 1: Excitação dos elétrons em materiais semicondutores.
 A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'libertá-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor, pela definição esta energia é abaixo dos 4.5 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é a partir desse valor. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons. 
Figura 2: Niveis de energia para materiais isolantes, semicondutores e condutores conduzirem eletricidade.
 É importante destacar em termos informais, que a condução de eletricidade se deve ao desequilíbrio de elétrons no material, excesso ou falta, o que faz com uma adição de energia no material ocasione um ordenamento de elétrons do polo negativo para o positivo.
2.Constituição Química 
 Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência, ou seja, átomos tetravalentes.
 Dois átomos, tetravalentes, bastante utilizados em materiais semicondutores são o germânio (Ge) e silício (Si).
 Figura 3: Estrutura atômica do Silício e do Germânio.
 Os átomos que têm quatro elétrons na camada de valência tendem a se arranjar formando uma estrutura ou rede cristalina com átomos vizinhos compartilhando seus elétrons de valência.
Figura 4: Representação atômica da ligação covalente do Silício
Figura 5: Representação tridimensional de uma rede cristalina de átomos tetravalentes.
3.Dopagem
 A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância. Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas.  A finalidade da dopagem é dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica. 
4.Semicondutor Tipo N
 É um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja, átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência. Como exemplos de substâncias pentavalentes podemos citar: o arsênio, antimônio e fósforo. Quando os 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. Se forem introduzidos, por exemplo, 20 milhões de átomos de impurezas, o cristal terá 20 milhões de elétrons livres, sem contar os elétrons livres produzidos termicamente por causa da quebra de ligações covalentes. Quando um cristal de silício puro é dopado com átomos pentavalentes, ele se transforma num semicondutor tipo N. Ele agora possui uma grande quantidade de elétrons livres e algumas lacunas proveniente da quebra de ligações covalentes. A sua condutividade agora é maior, por causa dos elétrons livres.
Figura 6: Semicondutor do tipo N
5.Semicondutor Tipo P
 Na dopagem tipo P, o Boro, o Gálio ou o Índio  é o dopante. O gálio, o boro e o Índio possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam "buracos" ou "lacunas" na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor.
Figura 7: Semicondutor do Tipo p.
6.Propriedades Térmicas
 A temperatura exerce influência direta sobre as propriedades elétricas de materiais semicondutores. Quando a Temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento de energia térmica do elétron de valência facilita a sua liberação da ligação covalente de que participa. Cada ligação covalente que se desfaz por esse processo propícia, portanto, a geração de um par elétron/lacuna a mais na estrutura do cristal.
Figura 8: Geração de um par elétron/lacuna.
7.Diodo Semicondutor
 O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível. Um diodo permite que a corrente flua em uma direção, mas não na outra. Quando você coloca juntos o silício tipo N e tipo P como mostrado nesse diagrama, obtém um fenômeno bem interessante, que dá ao diodo suas propriedades únicas.
 Se você inverter a bateria, o diodo conduz a eletricidade muito bem. Os elétrons livres no silício tipo N são repelidos pelo terminal negativo da bateria. As lacunas no silício tipo P são repelidas pelo terminal positivo. Na junção entre o silício tipo N e o silício tipo P as lacunas e os elétrons se encontram. Os elétrons preenchem as lacunas. Ambos deixam de existir e novas lacunas e elétrons surgem em seu lugar. O efeito é que a corrente flui pela junção.
 Um dispositivo que bloqueia a corrente em uma direção, enquanto a deixa fluir em outra, é chamado de diodo.
Figura 9: Funcionamento de um Diodo.
 8.Aplicação de diodos na geração de laser de baixa intensidade e LED aplicados em Biomodulação tecidual (princípios de ação, efeitos fisiológicos, efeitos terapêuticos). 
 O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando é energizado emite luz visível – por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas dos elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência.
 Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída pelos elétrons seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz.
 Lasers semicondutores – diodos – Arsenieto de Gálio (AsGa); Arsenieto de Gálio e Alumínio (AsGaAl); Fosfeto de Índio-Gálio-Alumínio (InGaAlP). O laser de diodo é um tipo de radiação obtida pela estimulação de um diodo semicondutor, formado por cristais de arsenieto de gálio, arsenieto de gálioalumínio e fosfeto de índio-gálio-alumínio. Apresenta potencial terapêutico elevado em lesões superficiais e profundas, com maior eficácia em lesões mais profundas. Apresenta comprimentos de onda e de 830 a 904 nm para o AsGa, 620 a 830 nm para o AsGaAl e de 685 para o InGaAlP, sendo, na mesma ordem, de cor infravermelha, vermelha e vermelha.
8.1EFEITOS TERAPÊUTICOS DO LASER DE BAIXA INTENSIDADE
 Para que a radiação a laser exerça algum efeito sobre o organismo, é necessário que ela seja absorvida pelo mesmo, havendo interação dessa radiação com as estruturas moleculares e celulares do corpo humano (VEÇOSO, 1993; GENOVESE, 2007).
8.1.1 Efeitos Primários ou Diretos 
Efeitos BioquímicosAssim, para Genovese (2007), os principais efeitos bioquímicos do LBI são: o controle da produção de substâncias liberadas nos fenômenos de dor e inflamação como as prostaglandinas, histamina, serotonina, bradicinina, prostaciclinas, leucotrienos, etc.; a modificação nas reações enzimáticas normais. 
Efeito Bioelétrico 
 O efeito bioelétrico da radiação a laser ajuda a normalizar o potencial da membrana, atuando como reequilibrante e normalizador da atividade funcional da célula. Em condições normais, a célula tem no seu interior mais cargas negativas e, no meio externo, mais cargas positivas. Essa diferença de potencial se dá pela diferença de concentração de íons dentro ou fora da célula. Em condições patológicas, a célula altera seu potencial de membrana, podendo chegar a zero ou mesmo inverter-se. A ação do LBI se manifesta de 2 maneiras, diretamente na mobilidade iônica, e indiretamente, aumentando a quantidade de ATP produzida pela célula (GENOVESE, 2007). 
Efeito Bioenergético 
 A ação do LBI poderia supostamente levar a um fenômeno de indução biológica, já que irradiando uma área, os tecidos vizinhos também poderiam ser beneficiados (GENOVESE, 2007). 
8.1.2 Efeitos Secundários ou Indiretos 
Estímulo à Microcirculação 
 O LBI age indiretamente sobre o esfíncter pré-capilar, através de mediadores químicos como a histamina, paralisando-o e produzindo sua abertura constante, estimulando a microcirculação. No entanto, o LBI não tem efeito calórico. A elevação da temperatura local é provocada pelo aumento do metabolismo celular e pela vasodilatação (GENOVESE, 2007). 
Estímulo ao Trofismo Celular 
 Pelo fato de o LBI aumentar a produção de ATP e também a velocidade da taxa de mitose, conclui-se que ele aumenta os processos de reparação tecidual, pelo estímulo à capacidade de cicatrização do tecido conjuntivo e pela neoangiogênese. Ambos os processos contribuem para reparar as perdas de substâncias, como em ulcerações aftosas recorrentes, úlceras traumáticas e reparação de feridas cirúrgicas (GENOVESE, 2007). 
8.1.3 Efeitos Terapêuticos 
Efeito analgésico 
 As principais ações analgésicas do LBI são (GENOVESE, 2007): 
a) Aumento da concentração de β-endorfina no líquido cefalorraquidiano. Esse peptídeo endógeno é considerado um fator analgésico fisiológico que modula a dor no nível do sistema nervoso central.
 b) Manutenção do potencial transmembrana, evitando a despolarização, por meio do aumento da síntese de ATP. Essa energia é usada para expulsar os íons Na+ do interior da célula, dificultando a transmissão do estímulo doloroso local. Genovese (2007) chama a atenção para o fato de a resposta a ação do LBI contra estímulos dolorosos é individualizada. Em alguns casos a sintomatologia cede rapidamente; em outros, são necessárias várias sessões, eventualmente com necessidade de interromper a terapia por 30 dias, retornando após. 
Efeito Antiinflamatório 
 Silveira e Lopes (1991), citados por Genovese (2007) relataram que a radiação a laser promove um aumento significativo de mastócitos de granulação, elevando a quantidade de histamina, o que gera alterações circulatórias locais como vasodilatação e aumento da permeabilidade vascular. Estas são desejáveis em muitas situações. A terapia com LBI age também como antiinflamatório, inibindo a produção de prostaglandinas, por ação bloqueadora na ação da enzima ciclooxigenase sobre o ácido araquidônico (GENOVESE, 2007).
Efeito Antiedematoso
 A ação antiedematosa do LBI decorre (VIEGAS et al., 2005; GENOVESE 2007): 
a) Estímulo à microcirculação, proporcionando melhores condições de drenagem do plasma extravasado. 
b) Ação fibrinolítica, que proporciona resolução efetiva do isolamento proporcionado pela coagulação do plasma. 
 Efeito de Bioestimulação
 A terapia com LBI estimula a produção de ATP mitocondrial (BRUGNERA & PINHEIRO, 1998; BORTOLETTO, et al. 2004; GENOVESE 2007). Benedicenti et al. (1983), citado por Genovese (2007) relatou um aumento de 22% na produção de ATP mitocondrial, após aplicação de LBI. 
 Segundo Genovese (2007), a radiação com LBI também aumenta a neoformação capilar e a multiplicação celular. Ainda, os efeitos analgésico, antiinflamatório, antiedematoso e bioestimulante do LBI ocorrem concomitantemente sobre a área tratada.
Referências Bibliográficas
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