Semicondutores

Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da

forma com que agrupam seus átomos (cada átomo fica equidistante

e, relação a quatro outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina)

eles conseguem alcançar a estabilidade fazendo quatro ligações

químicas covalentes, conseguindo 8 elétrons na última camada, e por

consequência ficam estáveis quimicamente.

Mas qual são as características dos semicondutores que os tornam

tão importantes para a eletrônica?

Os semicondutores formam Bandas de Energia, com as seguintes

características:

São formadas bandas, separadas por Lacunas. A última banda é

chamada de Banda de Condução. Logo abaixo existe a Banda de

Valência, e em baixo as outras camadas. Na temperatua 0K, a banda

de condução vai estar totalmente vazia, e a banda de valência

totalmente preenchida (Na imagem acima a temperatura está mais

elevada).

Quando o material é aquecido, alguns elétrons saem da banda de

valência e passam para a banda de condução. Isso somente é

possível devido ao ganho de energia no elétron, pois para passar à

uma banda superior, deve ter energia o suficiente (representado por

ΔE).

Conclusão parcial: Sob temperatura 0K os semicondutores possuem a

camada de valência totalmente preenchida e um ΔE relativamente

baixo (entre o ΔE dos condutores e dos isolantes), o que possibilita

controlar a condutividade deles variando a temperatura.

Dopagem

Como os semicondutores em condições normais apresentam uma

condução muito baixa, alguns átomos (num processo muito preciso)

são substituidos por impurezas, com a finalidade de aumentar a

condutividade.

- Impureza doadora:

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). O semicondutor dopado com uma impureza

doadora é denominado do tipo N.

- Impureza aceitadora:

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). O semicondutor dopado com

uma impureza aceitadora é denominado do tipo P.

Esta pequena base teórica possibilita o entendimento de

componentes como os diodos e os transistores.Germânio e o Silício

Alguns Tipos de Semicondutores: Carbono, silício, germânio.

Dopagem eletrônica consiste num procedimento de adição de

impurezas químicas a um elementosemicondutor para transformá-lo

num elemento mais condutor, porém, de forma controlada.

O conceito de semicondutor intrínseco está relacionado ao cristal

que, não-intencionalmente, possui não mais de um átomo de

elemento químico estranho para cada um bilhão de átomos do

material escolhido. O teor de impureza, neste caso, é chamado 1 ppb,

ou uma parte por bilhão. A interferência da impureza não é suficiente

par interferir na estabilidade do material, sendo o cristal, portanto,

estável.

Por outro lado, o semicondutor dopado possui, intencionalmente,

cerca de um átomo de elemento químico desejado (ao contrário do

estranho) para cada um milhão de átomos do material escolhido. O

teor da impureza é, no semicondutor dopado, 1 ppm, ou uma parte

por milhão.

Os semicondutores dopados possuem, aproximadamente, mil

vezes mais impurezas do que os semicondutores intrínsecos.

Três elementos comuns na dopagem eletrônica são o carbono,

o silício e o germânio. Todos possuem quatro elétrons na camada de

valência, o que possibilita que formem cristais já que compartilham

seus elétrons com os átomos vizinhos, formando estruturas

reticuladas ou cristalinas.

Existem dois tipos de impurezas usadas:

N: ocorre com a adição de fósforo ou arsênico ao silício. Tanto o

arsênico quanto o fósforo possuem cinco elétrons na camada de

valência. Ocorrem ligações covalentes entre quatro elétrons e um

deles fica livre, ou seja, é o chamado elétron livre, que ganha

movimento e gera corrente elétrica. O nome N provém da

negatividade gerada da carga negativa existente.

P: nesta dopagem, há adição de boro ou gálio ao silício. Ambos

possuem três elétrons na camada de valência. Quando são

adicionados ao silício criam lacunas, que conduzem corrente e a

ausência de um elétron cria uma carga positiva (por isso o nome P).

O nome semicondutor se justifica, uma vez que uma pequena

quantidade de dopagem N ou P conduzem de forma razoável, mas

não excelente.

O diodo é o semicondutor mais simples e possibilita que uma corrente

flua apenas em uma direção.

A junção PN é a estrutura fundamental de semicondutores,

especialmente diodos e transistores, geralmente formada com Silício

e Germânio e são utilizadas na dopagem eletrônica de metais puros.

O diodo é formado por uma junção entre um cristal tipo P (lado positivo – também chamado de ânodo) e outro tipo N (lado negativo – também chamado de cátodo). Dentro desses cristais, compostos por Silício (mais comum) ou Germânio serão inseridas impurezas (prática chamada de dopagem), que nada mais são do que átomos de Boro. A escolha por este elemento decorre do fato de que por ele ser impuro, um trivalente, no lado P sempre irá haver uma lacuna, ou seja, ficará faltando 1 elétron para completar 8 e estabilizar o semicondutor. Já no lado N ocorre o inverso: Preenchido com Silício (ou Germânio) e com Fósforo, esse cristal irá sempre ter 1 elétron a mais, já que o fósforo possui 5 elétrons na última camada, restando 1 após a ligação covalente.

Embora os cristais separados não tenham muita representatividade, quando ligados entre si a mágica acontece. Ao juntarem-se, as lacunas do lado P atraem o elétron que está sobrando no lado N, equilibrando o diodo, já que, segundo as leis da física, cargas opostas atraem-se. Tal ato chama-se recombinação. No entanto, é preciso ressaltar que este amalgamento só é feito no centro, onde as forças de atração são mais fortes. Naquela área, todos ficarão com 8 elétrons na última camada, ficando estáveis quimicamente. Os mais distantes, porém, não sofrem a recombinação. Esta zona de estabilidade pode ser chamada de camada de depleção, ou, barreira de potencial.

Entre as principais aplicações do diodo, podemos citar:

Em tudo que envolvemos energia elétrica estamos inevitavelmente envolvendo risco de danos, isso serve tanto para um controle remoto, um eletrodoméstico, etc. Porém, o Diodo de Junção é utilizado para minimizar os riscos de estrago nos aparelhos. Funciona assim: Como vimos anteriormente, ao colocarmos um deles em um componente e fazermos as respectivas ligações, teremos um lado que passa corrente, e um outro que corta a corrente. Assim, utilizando o lado que não deixa passar eletricidade podemos, por exemplo, evitar o dano de uma pilha colocada ao contrário no controle remoto.

RELACIONADO

Uma outra aplicação do diodo, e talvez uma das mais importantes, é a transformação de corrente alternada (AC) em corrente contínua (CC), em um processo que é conhecido como “Retificação”. Esse processo faz-se necessário pelo fato de que a energia que sai das nossas tomadas é alternada e a grande maioria dos nossos eletrodomésticos funcionam em corrente contínua. Dessa forma, dentro do nosso

equipamento será feita uma conversão por meio do diodo, fazendo com que todos funcionem certinho e sem maiores riscos.

Os diodos ainda podem ser usados como Led’s. Porém, para que este processo ocorra e eles passem a emitir luz, terão de ter uma polarização e uma composição química um pouco diferente. Na prática a luz é emitida após a corrente passar por ele e gerar uma radiação luminosa. Dessa forma o diodo pode estar presente em praticamente todos os cantos, desde semáforos até a luzinha do controle remoto (gerando o sinal infravermelho que passa instruções ao eletrônico e que não enxergamos).