Semicondutores: Propriedades e Aplicações

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Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. Podem ser compostos de um único elemento químico, do grupo 14 da tabela periódica (principalmente Silício e Germânio), da composição de elementos dos grupos 13 e 15 ou dos grupos 2 e 16. 
Possuem propriedades elétricas que são intermediarias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. É importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nano circuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.
As principais ligações para semicondutores puros, com compartilhamento de todos seus elétrons, é a ligação covalente (Figura 1).
Figura 1 - Ligações covalentes de semicondutores.
Fonte: Alchemist engenharia.
Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns elétrons livres no semicondutor (Figura 02).
Figura 02 - Semicondutor a temperatura ambiente.
Fonte: Alchemist engenharia.
Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de elétrons livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de elétrons livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. 
Átomos dadores têm cinco elétrons de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb).
Átomos aceitadores têm três elétrons de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).
A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam elétrons livres no seu interior (Figura 3). Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do elétrons).
Figura 03 - Introdução de átomos pentavalentes num semicondutor puro.
Fonte: Alchemist engenharia.
A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior (Figura 4). Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do elétron). 
Figura 4 – Introdução de átomos trivalentes num semicondutor puro.
Fonte: Alchemist engenharia.
Estrutura Cristalina
Os elementos químicos puros mais usados como semicondutores em dispositivos eletrônicos são o Si e o Ge, do grupo IV, apresentam estrutura cúbica cristalina do diamante que consiste em uma repetição tridimensional de uma célula primitiva que é um tetraedro. Devido a característica covalente da ligação química, o poliedro de ligação (de coordenação) é tetraédrico. A Figura 15.9 mostra o arranjo atômico.
Fonte: MORA et.all (2010).
Alguns compostos covalentes do grupo IV são semicondutores e outros isolantes. O carbeto de silício, SiC, acima de 500 ºC é um semicondutor intrínseco, quando puro. A adição de Al o converte em tipo-p e o N o torna tipo-n. O SiC apresenta uma estrutura cristalina cúbica similar aquela do diamante.
Os compostos formados entre os elementos dos grupos III e V como o GaAs, apresentam estrutura cristalina cúbica como o sulfeto de zinco, ZnS. Esta estrutura é similar aquela do diamante, sendo que o Zn entra no lugar dos quatro carbonos interiores, ou seja, ocupando assim a metade dos lugares intersticiais tetraedrais com relação à rede do S. A Figura 15.10 mostra em projeção e em perspectiva esta estrutura.
 
Fonte: MORA et.all (2010).
Bibliografia
MORA, Nora Diaz, LUCAS, Juliana Fenner, MARAN, Maycon. Apostila de materiais elétricos. Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE) – Laboratório de Materiais. Foz do Iguaçu: 2010. Disponível em:< http://www.foz.unioeste.br/~lamat
/downmateriais/materiaiscap15.pdf>. 
PEREIRA, Matias Santos. Materiais Semicondutores. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Elétrica) - Universidade de Uberaba. Uberaba - Minas Gerais (2011).
FREITAS, Frederico Campos. Semicondutores no Ensino Médio - Uma proposta de ensino de Física Contemporânea. Dissertação (Dissertação em Ensino de Ciências Exatas) – Universidade Federal de São Carlos. São Carlos - SP (2013).
ALCHEMIST ENGENHARIA. Semicondutores. Disponível em: <http://www.
geocities.ws/afonsobejr/semicondutores.html>. Acessado em: 16 de Setembro de 2018.