Semicondutores

Prévia do material em texto

Semicondutores
AC IN TRANSISTORS
SCHLOSER, HENRIQUE
Engenharia elétrica – Universidade Tuiuti do Paraná
RESUMO
Assim como existem materiais condutores (cobre, alumínio, ouro, prata) e materiais isolantes (borracha, vidro), existe um tipo de material que é um meio termo entre esses dois primeiros. Esse material é o semicondutor, ou seja, um quase condutor de eletricidade. O semicondutor, portanto, possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
Palavras-chave: Semicondutores, material, isolantes. 
ABSTRACT
Just as there are conductive materials (copper, aluminum, gold, silver) and insulating materials (rubber, glass), there is a type of material that is a middle ground between these first two. This material is the semiconductor, that is, an almost conductor of electricity. The semiconductor, therefore, has a level of conductivity between the ends of an insulator and a conductor.
 Keywords: Semiconductors, material, insulators.
SEMICONDUTORES 
Os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolantes para condutores com grande facilidade. São muito utilizados para equipamentos eletrônicos. A maioria dos semicondutores é composta por silício, porém o germânio também pode ser utilizador, alguns exemplos de semicondutores são o diodo, LED e o transistor. 
A banda proibida é a região localizada entre as bandas de valência, ou camada de valência do átomo, e a banda de condução (região onde, sob ação de um campo elétrico, se forma a corrente elétrica).
Quando os elétrons recebem certa quantidade de energia, eles se tornam livres e saem da camada de valência para a camada de condução.
A condutividade dos semicondutores pode ser alterada variando-se a temperatura, o que faz com que atinjam uma condutividade semelhante a dos metais.
A capacidade de condutividade dos semicondutores ocorre graças à chamada banda proibida intermediária. A band gap ou banda proibida fica localizada entre a camada de valência do átomo e a região chamada camada de condução, região que ao receber um campo elétrico forma uma corrente elétrica.
Assim, ocorre a mudança da capacidade isolante para condutora, pois ao receber certa quantidade de energia, os elétrons se tornam livres e saem da camada de valência para a camada de condução.
Funcionamento:
O silício possui quatro elétrons em sua camada de valência e estabelece quatro ligações com os átomos vizinhos, criando uma rede cristalina. Como todos os elétrons estabelecem ligações covalentes, eles não podem se mover, sendo assim, não podem conduzir corrente elétrica, portanto, quando puro, o silício possui condutividade próxima de zero. Essa condição pode ser alterada de duas formas:
Variando a temperatura: em baixas temperaturas, o silício apresenta as camadas da banda de valência preenchidas por elétrons. Conforme se eleva a temperatura, os elétrons da última camada “libertam-se” de sua ligação, tornando-se elétrons livres que podem conduzir corrente elétrica.
Pelo processo de dopagem: consiste na adição de uma substância diferente do silício, que pode ser denominada impureza. Com esse processo, é possível controlar a concentração de portadores de carga e assim modificar as propriedades elétricas do material.
Tipos de dopagem
A dopagem pode ser de dois tipos: N ou P
Tipo N – São adicionados ao silício átomos de fósforo ou arsênio. Esses elementos possuem cinco elétrons na sua camada de valência, porém, ao serem acrescentados à rede cristalina do silício, não é possível que todos esses elétrons estabeleçam ligações. Fica, portanto, um elétron livre, que se caracteriza por possuir carga negativa, por isso a denominação N. Pouca quantidade dessas impurezas já possibilita a existência de elétrons livres suficientes para estabelecer corrente elétrica. Corresponde aos elementos químicos que possuem cinco elétrons na última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão quatro elétrons envolvidos em ligações covalentes (sobra um, que fica praticamente livre). Conhecido também como impureza doadora.
Tipo P – as substâncias adicionadas podem ser o bório ou o gálio. Esses elementos possuem apenas três elementos na última camada, que, quando se ligam ao átomo de silício, deixam um “buraco”, ou seja, a falta de um elétron, o que possibilita a passagem da corrente elétrica. Essa ausência tem a propriedade de carga positiva, por isso o nome P. Corresponde aos elementos químicos que possuem três elétrons na última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão três elétrons envolvidos em ligações covalentes (falta um o que implica na formação de um buraco). Conhecidos também como impureza aceitadora.
Os semicondutores apresentam dois tipos de condução elétrica: condução intrínseca e condução extrínseca. Para que haja a condução intrínseca os semicondutores precisam receber energia (calor, luz ou a aplicação de uma tensão elétrica). Já para haver a condução extrínseca, os semicondutores precisam receber excesso de carga negativa, através da inserção de outros elementos.
Os elementos químicos simples como o silício e o germânio possuem quatro elétrons na camada de valência. Eles formam ligações covalentes que impedem o deslocamento dos elétrons, dificultando a condução de carga elétrica.
Nesse caso, a condução só ocorre se uma quantidade de energia for fornecida aos semicondutores. Desse modo, quando recebem calor, luz ou aplicação de uma tensão elétrica, os elétrons que formam as ligações ficam “livres”, tornando o material passível de conduzir corrente elétrica.
Na condução extrínseca, para transformar um material semicondutor em condutor de corrente elétrica, é necessário que sejam oferecidas cargas elétricas suficientes para exceder a carga negativa.
É possível obter o excesso de carga negativa através do processo de dopagem. A dopagem consiste na inserção de elementos que possuam mais elétrons na camada de valência do que os elementos semicondutores que servem como base.
Semicondutores intrínsecos
As ligações covalentes dos materiais anteriormente citados, no entanto, não são muito fortes e podem ser rompidas com facilidade se é fornecida ao material uma pequena quantidade de energia (como calor, luz ou a aplicação de uma tensão elétrica). Nessas condições, os elétrons que formam as ligações ficam “livres” e tornam o material passível de conduzir corrente elétrica. Esse tipo de condução é denominado condução intrínseca e é necessário fornecer energia ao semicondutor para que ela ocorra
Semicondutores extrínsecos
Os semicondutores intrínsecos apresentam uma condutividade muito baixa, fazendo com que se procurem métodos para aumentar seu valor. Essa busca tem levado ao desenvolvimento dos semicondutores extrínsecos,
Para converter um material semicondutor em material condutor, podem-se fornecer a ele cargas elétricas em quantidade necessária para que haja excesso de cargas negativas (elétrons). Muitas dessas cargas podem não se encontrar emparelhadas para formar uma ligação e, como conseqüência, esses elétrons excedentes estarão livres ao redor dos átomos e poderão mover-se com facilidade. Haverá, então, condução de corrente elétrica, denominada condução extrínseca.
O excesso de cargas negativas pode ser obtido introduzindo-se elementos com tal impureza com mais elétrons na camada de valência que os do material semicondutor que serve de base. É a chamada dopagem. Essas impurezas são denominadas doadoras e o material obtido é chamado de semicondutor tipo N.
Por exemplo, o silício (que tem quatro elétrons na camada de valência) é dopado negativamente com pequenas quantidades de fósforo, arsênio ou antimônio (que têm cinco elétrons na camada de valência e, portanto, um elétron a mais que o silício). Os elétrons adicionais estão livres e formam a corrente elétrica.
De maneira parecida, também se pode introduzir um excesso de cargas positivas no material. Nesse caso, produz-se uma falta de elétrons ou, dito de outra forma, um excesso de “buracos” (por “buraco”, entende-se a ausência de um elétron que compense a cargapositiva). A presença de buracos também facilita a condução de corrente elétrica, pois o excesso de cargas positivas promove a “captura” de elétrons e permite o deslocamento deles.
O excesso de cargas positivas se consegue introduzindo-se impurezas com menos elétrons de valência que o material semicondutor que serve de base. Essas são impurezas receptoras e o material obtido é denominado semicondutor tipo P. O silício, por exemplo, é dopado positivamente com impurezas de boro, gálio ou índio (que têm três elétrons de valência e, portanto, um elétron a menos).
Em geral, os semicondutores extrínsecos apresentam uma condutividade elétrica maior que a dos semicondutores intrínsecos e, por esse motivo, são mais utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos (silício tipo P e silício tipo N).
Junção PN
A união de dois cristais (P e N) provoca uma recombinação de elétrons e lacunas na região da junção, formando uma barreira de potencial.
Principais Especificações do Diodo
Na polarização direta só existe corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo for maior que Vd (0,7V). Existirá uma corrente máxima que o diodo poderá conduzir (Idm) e uma potência máxima de dissipação (Pdm): Pdm = V.Idm
Na polarização reversa existe uma tensão máxima chamada de tensão de ruptura ou breakdown (Vbr) e uma corrente muito pequena denominada de corrente de fuga. (If)
CONCLUSÃO
Os semicondutores são materiais que possuem baixa condutividade elétrica. Esses elementos estão entre os condutores e isolantes, e são capazes de mudar sua condição de condução elétrica com facilidade. 
Os semicondutores não conseguem conduzir corrente elétrica em condições químicas normais. Os átomos dos semicondutores são tetravalentes, ou seja, possuem apenas quatro camadas de valência, o que os torna elementos não estáveis. Para que os materiais semicondutores possam conduzir corrente elétricos é necessário que seus átomos se agrupem para ganhar estabilidade. Isso ocorre quando há ligações químicas covalentes nas quais os átomos passam a ter oito elétrons e se tornam condutores de eletricidade.
A condutividade dos semicondutores pode ser modificada por meio da variação da temperatura ou pelo processo de dopagem, que consiste na adição de uma substância diferente do silício. O processo chamado de impureza permite controlar a concentração de portadores de carga e assim alterar as propriedades elétricas do material.
BIBLIOGRAFIA
Semicondutores. Disponível em: 
<https://alunosonline.uol.com.br/fisica/semicondutores.html> Acesso em: 13 de abril de 2020.
Semicondutores. Disponível em:
<https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/semicondutores.htm>Acesso em: 14 de abril de 2020
Semicondutores. Disponível em:
<https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/fisica/semicondutores> Acesso em 14 de abril de 2020
Semicondutores. Disponível em:
< https://www.infoescola.com/fisica/semicondutores/> Acesso em 14 de abril de 2020.