AV1 CCE1500 3001 ELETRÔNICA ANALÓGICA

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AV1 CCE1500 3001 ELETRÔNICA ANALÓGICA 2020.2
Aluno: Pedro Luiz Freire Ramos
Matricula: 201607234131
SEMICONDUTORES
Esta pesquisa busca abordar o conceito do material base de componentes eletrônicos que são usados em todos os circuitos elétricos e eletrônicos da atualidade e que foram vistos nas aulas de eletrônica analógica. Me refiro aos: diodos, transistores e circuitos integrados de forma geral. Os semicondutores são materiais que não são condutores nem isolantes. Contém alguns elétrons livres, mas o que os faz diferentes é a presença de lacunas.
CONDUTORES
O cobre é um bom condutor. A razão desse fato fica clara quando olhamos sua estrutura atômica. O núcleo ou o centro do átomo contém 29 prótons (Cargas Positivas). Quando um átomo de cobre tem uma carga neutra, 29 elétrons (Cargas negativas) orbitam o núcleo.
Figura 1. Átomo do cobre
O núcleo positivo atrai os elétrons planetários. A razão pela qual esses elétrons não se chocam com o núcleo é a força centrífuga ou força externa criada por seu movimento orbital. Quando um elétron está numa orbita estável, a força centrifuga é exatamente igual a força de atração do núcleo. 
Do ponto de vista do semicondutor, a camada mais externa vai ser o alvo da nossa análise. Essa camada ou órbita mais externa é chamada de camada de valência. Essa órbita externa controla as propriedades elétricas do átomo. Podemos definir assim a parte central do átomo como sendo o núcleo e todas as orbitas internas. Para o átomo de cobre, que foi o exemplo citado, temos a parte central é o núcleo (+29) e suas trem primeiras órbitas (-28). 
A parte central de um átomo de cobre tem uma carga líquida igual a +1 porque contém 29 elétrons internos. Como o elétron de valência está numa órbita muito grande em torno da parte central com uma carga líquida de apenas +1, a atração pelo elétron é muito pequena. Em razão dessa pequena atração, o elétron externo é as vezes chamado de elétron livre. O fato do cobre ser um bom condutor está bem explicado. Como o elétron de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. A menor tensão pode fazer com que o elétron livre num fio de cobre circule de um átomo para outro. Os melhores condutores (Prata, Cobre e Ouro) possuem um simples elétron de valência.
SEMICONDUTORES
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para condutibilidade. Os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores possuem quatro elétrons de valência e isolantes, oito elétrons de valência.
GERMÂNIO
Existem vários elementos que possuem as características citadas como semicondutores. Um deles é o germânio. No centro do átomo há um núcleo com 32 prótons. Os elétrons, por sua vez, distribuem-se nas suas orbitas como mostra a figura 2, com 2 elétrons na primeira órbita, 8 na segunda e 18 na terceira. Os últimos 4 elétrons estão na órbita mais externa: 
Figura 2. Átomo de germânio
O nome germânio deriva do latim Germania que significa Alemanha. Encontra-se na Natureza na argirodite e na germanite. Este último é um mineral de sulfureto de cobre, sulfureto de ferro e sulfureto de germânio. Até aos finais dos anos 30 do século XX, o germânio era um elemento que apenas tinha interesse científico. Esta situação mudou radicalmente quando se descobriu a importância do germânio como semicondutor e se fabricaram com ele retificadores e amplificadores (transístores).
SILÍCIO
O material mais usado para aplicações com semicondutores é o silício. Um átomo isolado de silício possui 14 prótons e 14 elétrons. A primeira órbita contém 2 elétrons e a segunda, 8 elétrons. Os 4 elétrons restantes estão na órbita externa ou de valência. O núcleo e as duas primeiras órbitas formam a parte central líquida, igual a +4 por causa dos 14 prótons no núcleo e os 10 elétrons nas duas primeiras órbitas. Observando os 4 elétrons na órbita de valência, fica fácil entender o motivo de ser um semicondutor. É exatamente essa característica que o classifica como tal.
Figura 3. Átomo de Silício
À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido. Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823. O silício é o segundo elemento mais abundante da face da terra, perfazendo 25.7% do seu peso. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício (também conhecido como sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais).
Quando os átomos de silício se combinam para formar um solido, eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal. Cada átomo de silício cede seu elétron aos outros átomos de silício, assim a orbita de valência. Sempre que um átomo fica com oito elétrons na sua órbita de valência conforme mostrado, ele torna-se quimicamente estável. Os círculos hachurados representa as partes centrais do silício. Embora o átomo central originalmente tenha quatro elétrons em sua órbita de valência, ele agora possui oito elétrons em sua órbita.
Figura 4. Cristais de Silício
Cada átomo vizinho cede um elétron com átomo central. Desse modo, todos os átomos centrais contribuem para que haja quatro elétrons adicionais dando um total de oito elétrons na sua orbita de valência. Os elétrons não pertencem a um átomo isolado mais; eles agora são compartilhados pelos átomos adjacentes, formando uma estrutura cristalina. Este elétron compartilhado, se torna uma ligação entre as partes centrais opostas. Esse tipo de ligação de compartilhamento se chama, quimicamente de ligação covalente. Num cristal de silício existem bilhões de átomos de silício, cada um com oito elétrons na camada de valência. Esses elétrons de valência são as ligações covalentes que mantém os átomos de cristal unidos, formando o sólido. Devido a essa formação estrutural, resultado da combinação dos elétrons de valência, um cristal de silício é um isolante quase perfeito na temperatura ambiente. Com o aumento dessa temperatura, a energia térmica faz com que os átomos de silício vibrem num vaivém dentro do cristal de silício. Quanto mais alta a temperatura, maior a vibração. Esse grau de vibração pode, ocasionalmente, deslocar um elétron da orbita de valência. O elétron é liberado ganhando energia suficiente parar passar para uma orbita maior. Se tornando assim um elétron livre. E essa saída do elétron, deixa um vazio na órbita, o que chamamos de Lacuna. É considerada como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado qualquer elétron nas proximidades. 
O efeito prático causado pela energia térmica, funciona dessa forma:
1. Estão sendo gerados elétrons livres e lacunas pela energia térmica.
2. Estão ocorrendo recombinações com outros elétrons livres e lacunas;
3. Existem alguns elétrons e algumas lacunas num estado intermediário, que ainda não foram parcialmente gerados nem recombinados.
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
São semicondutores puros. Um cristal será um semicondutor intrínseco se todos os átomos do cristal forem de silício. Na temperatura ambiente, um cristal de silício comporta-se como um isolante aproximadamente, porque ele tem apenas alguns elétrons e lacunas produzidos pela energia térmica. Devido a essas excitações externas, como a temperatura, submetendo o sistema a uma tensão (ddp), etc, se tem o movimento dos elétrons livre que se encontram nas camadas mais externas. E também a movimentação das lacunas, que é o “espaço vago” deixado pelo elétron quando se deslocou.
Os elétrons livres e as lacunas movem-se em sentidos opostos. O fluxo de elétrons livres será num sentido e o fluxo das lacunas no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados de portadores, porque transportam uma carga igual de um lugar para o outro.
DOPAGEM DE UM SEMICONDUTOR
Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor é por meio da dopagem. Isso significa adicionar impurezasaos átomos de um cristal intrínseco para alterar sua condutibilidade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco. O primeiro passo para dopar um cristal puro é fundi-lo. Isso quebra as ligações covalentes e muda o cristal do estado sólido para o estado líquido. Durante a fusão, são adicionados átomos pentavalentes, para aumentar o número de elétrons livres. Os átomos pentavalentes possuem cinco elétrons na orbita de valência. Ex: o fosforo e o antimônio. Esses materiais doam um elétron extra para o cristal de silício, no momento da combinação. O átomo pentavalente fica ao centro se combinando com quatro átomos de silício. Liberando assim 1 elétron, chamado elétron livre. Quanto mais adicionarmos essas “impurezas” ao silício, maior é sua condutibilidade. Assim um semicondutor pode ser fracamente dopado tem uma alta resistência, enquanto um semicondutor fortemente dopado apresenta uma baixa resistência. 
O silício que foi dopado com uma impureza pentavalente, pode se chamado como semicondutor tipo n. Onde o n está relacionado com negativo. Como os elétrons livres excedem em número as lacunas, os elétrons livres são chamados de portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários.
Figura 5. Aumentando os elétrons livres
No processo de dopagem com o objetivo de aumento de lacunas, são usadas impurezas trivalentes, cujos átomos possuem apenas três elétrons de valência. Ex: Boro, alumínio e gálio. O átomo trivalente se aloca no centro do cristal rodeado por quatro átomos de silício. Cada átomo, na combinação, cede um de seus elétrons de valência. Restam assim apenas 7 elétrons na “nova” orbita de valência. Isso significa no surgimento da lacuna na orbita de valência de cada átomo trivalente. Um átomo trivalente também é chamado de átomo receptor, pois a lacuna que é nele gerada contribui para recebimento de um elétron libre na recombinação.
Um silício que foi dopado com uma impureza trivalente é chamado de semicondutor tipo p. . Como as lacunas excedem em número de elétrons livres, as lacunas são chamadas de portadores majoritários e os elétrons livres de portadores minoritários.
 
Figura 6. Aumento de lacunas
Para um fabricante poder dopar um semicondutor, ele precisa antes produzir um cristal puro. Depois, pelo controle de quantidade de impurezas, ele poderia controlar precisamente as propriedades dp semicondutor. Historicamente, os cristais de germânio eram mais fáceis de ser produzidos do que os cristais puros de silício. É por isso que os primeiros dispositivos semicondutores eram feitos de germânio. Eventualmente, as técnicas de fabricação melhoraram e os cristais puros de silício tornaram-se mais viáveis. Por causa dessa vantagem, o silício se tornou o mais popular e o mais usado material semicondutor.
JUNÇÃO PN
Um semicondutor tipo p ou tipo n individualmente, podem ser equivalentes a um resistor de carbono. Mas quando um fabricante dopa um cristal, de modo que a metade dele seja do tipo p e a outra metade tipo n, a borda dessa junção chamamos de: junção pn. A junção pn deu origem a todos os tipos de invenções, incluindo diodos, transistores e circuitos integrados. 
DIODO DE JUNÇÃO
Podemos visualizar um pedaço de semicondutor tipo n, conforme mostrado na figura 7 à direita. Cada círculo com sinal de mais representa um átomo pentavalente e cada sinal de menos é um elétron livre que ele forneceu para o semicondutor. Analogamente observamos os átomos trivalentes e as lacunas de semicondutor tipo p, conforme mostrado no lado esquerdo da figura 7. Cada sinal de menos dentro do círculo representa um átomo trivalente e cada sinal de mais é uma coluna na sua orbita de valência. Observe que cada pedaço de material semicondutor está eletricamente neutro, porque o número de sinais de mais é igual ao de sinais de menos. 
 
Figura 7. Pedaços separados de semicondutores
Um Fabricante pode produzir um cristal simples com um material tipo p de um lado e um material tipo n do outro, conforme mostrado na figura 8. A junção é a borda onde as regiões do tipo p e do tipo n se encontram, e diodo é outro nome para um cristal pn. A palavra diodo é a contração de dois eletrodos, onde di representa “dois”.
Figura 8. O cristal
De forma geral, essa junção tem sido muito usada nas aplicações de circuitos, a viabilidade do uso de doidos e transistores com seus derivados. Por meio dessa junção, e na estabilização dos elétrons cria-se entre as partes uma camada de depleção. Onde surge uma barreira de potencial elétrico. Após a estabilização, na junção, resultam íons que estão presos na estrutura do cristal por causa das ligações covalentes. Cada par de íons positivo e negativo na junção é chamado de dipolo. É uma região vazia de portadores, pois um elétron livre e uma lacuna saíram de circulação. Os átomos que restaram, se estabilizaram por meio da repulsão gerada pela junção previamente. Essa camada central é chamada de: Camada de depleção.
Figura 9. Camada de Depleção
Cada dipolo possui um campo elétrico entre o íon positivo e o íon negativo. Portanto, quando elétrons livres adicionais penetram na região da camada de depleção, o campo elétrico tenta empurrá-los de volta para a região tipo n. A intensidade do campo elétrico aumenta à medida que os elétrons cruzam a junção até que o equilíbrio seja atingido. Isso significa que o campo elétrico eventualmente interrompe a difusão de elétrons por meio da junção. Na figura 9, o campo elétrico entre os íons é equivalente a uma diferença de potencial chamada barreira de potencial. À temperatura de 25ºC, a barreira de potencial é aproximadamente igual a 0,3V para os diodos de germânio e 0,7V para os diodos de silício.
CONCLUSÃO
O uso dos semicondutores revolucionou toda a eletrônica. Por meio desses efeitos e polarizações possíveis, temos infinidades de aplicações. Os diodos, por exemplo, podem ser usados como chaves, barreiras, proteção, entre outros, os transistores podem ser usados para o mesmo fim, só que com aplicações mais específicas de controle. Isso para montagem de qualquer circuito ou lógica de algum processo, é de extrema necessidade. Dessa forma hoje, vemos cada vez mais circuitos mais complexos e de grande utilidade para os processos industriais, residenciais, hospitalares, automotivos, aeronáuticos, aplicações bélicas, laboratoriais, enfim. Temos infinidades de aplicações. Na indústria, temos o exemplo da chamada indústria 4.0, a tecnologia das coisas. A busca por melhorias de equipamentos, melhorias de processos dentro das fábricas, a cada dia são mais complexos e exigidas. E isso fala a nós, futuros engenheiros. Devemos estar prontos para a demanda dessas melhorias e constantes exigências do mercado. 
BIBLIOGRAFIA
http://www.quimlab.com.br/guiadoselementos/silicio
https://www.infopedia.pt/germanio
MALVINO VOLUME 1 – Edição 4