Estudo do semicondutor

Para entender o funcionamento do diodo, transistor, circuito integrado, componentes de fundamental importância na nossa eletrônica, temos que aprender a teoria das matérias, principalmente do semicondutor, princípio fundamental para sua construção.

Existem na natureza materiais que podem conduzir a corrente elétrica com facilidade, são classificados como materiais condutores ex: Alumínio, cobre, ferro, ouro, etc. Encontramos também os materiais que não conduzem correntes elétricas que são classificados como materiais isolantes ex: Borracha, mica, vidro, plástico, etc.

O meio termo entre condutores e isolantes são os materiais semicondutores, principio dos nossos diodos, transistores e circuitos integrados, utilizados na eletrônica dos nossos equipamentos de tecnologia, computadores, celulares, televisores, etc.

Destacamos entre os semicondutores o Silício (Si) e o Germânio (Ge). Existem outros elementos semicondutores também importantes para eletrônica são eles o Selênio (Se), o Gálio (Ga) etc.

A principal característica que interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4 elétrons na sua última camada (valência do átomo) e que eles se dispõem numa estrutura geométrica e ordenada (cristalina). Veja na figura abaixo como seria a estrutura de um pedaço de silício.

Cada átomo compartilha os 4 elétrons com os átomos vizinhos, de modo a haver 8 elétrons em torno de cada núcleo.

O silício e o Germânio formam cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da última camada.

Sabemos da química que os átomos de diversos elementos têm uma tendência natural em obter o equilíbrio, quando sua última camada adquire o número máximo de 8 elétrons.

Desta forma, tanto o silício quanto o germânio formam cristais quando os seus átomos um ao lado do outro compartilham os elétrons havendo sempre 8 deles em torno de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para estes materiais.

Nesta forma cristalina de grande pureza o Silício e o Germânio não servem para elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas “impurezas“ ao material (dopagem).

Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento químico que tenha na sua última camada um número diferente de 4 elétrons, e que sejam agregados a estrutura do Germânio ou/e do Silício em proporções extremamente pequenas da ordem de partes por milhão (ppm).

No nosso exemplo utilizaremos o Silício com as duas possibilidades de adição.

•          Elementos com átomos de 5 elétrons na última camada;
•             Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada.

 No primeiro caso, mostrado na figura abaixo, a adição e utilizando o elemento Arsênio (As).

Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura cristalina, sobrará um que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e por isso pode servir como portador de carga.

O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir a corrente se altera e o semicondutor no caso o Silício fica, o que se chama “dopado” e se torna bom condutor da corrente elétrica.

Como o transporte das cargas é feito nos materiais pelos elétrons que sobram ou elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela adição deste tipo de impureza, recebe o nome de Semicondutor do tipo N (N-negativo).

Na segunda possibilidade, agregamos ao cristal de silício uma impureza, que contém 3 elétrons na sua última camada, no caso o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura conforme mostrada na figura abaixo.

Observa-se que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, que chamamos de “lacuna”.

Esta lacuna também funciona como portador de carga, pois os elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar” de lacuna para lacuna encontrando assim um percurso com pouca resistência.

Como os portadores de carga neste caso são lacunas, e a falta de elétrons corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material Semicondutor assim obtido é do tipo P (P de positivo).

Podemos formar materiais semicondutores do tipo P e N tanto com os elementos como o Silício e o Germânio, como com alguns outros encontrados em diversas aplicações na eletrônica.

Junção PN - Um importante dispositivo eletrônico é obtido quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes formando entre eles uma junção semicondutora.

A junção semicondutora é parte importante de diversos dispositivos como os diodos, transistores, SCRs, circuitos integrados, etc. Por este motivo, entender o seu comportamento é muito importante.

Supondo que tenhamos dois pedaços de materiais semicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N, se unimos os dois de modo a estarem num contato muito próximo, formam uma junção, conforme se mostra na figura abaixo.

Esta junção apresenta propriedades muito importantes. Analisemos inicialmente o que ocorre na própria junção.

No local da junção os elétrons que estão em excesso no material N e podem movimentar-se procuram as lacunas, que estão também presentes no local da junção, no lado do material P, preenchendo-as. O resultado ‘e que estas cargas se neutralizam e ao mesmo tempo aparece uma certa tensão entre os dois materiais (P e N).

Esta tensão que aparece na junção consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular a corrente entre os dois materiais.  Esta barreira é chamada de Barreira de potencial ou ainda Tensão de Limiar ou ainda Tensão de Condução. Para o Germânio esta tensão é de 0,2 a 0,3 Volts e para o Silício é de 0,6 a 0,7 Volts. Veja figura abaixo.

A estrutura indicada, com os dois materiais semicondutores P e N, forma um componente eletrônico com propriedades elétricas bastante interessantes e que é chamado de Diodo (semicondutor), e que já foi matéria de outro artigo postado por mim.

Até breve.

Prof. José Carlos