O IDEAL VERSUS O PRÁTICO

1 INTRODUÇÃO

Em 1874, quando Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos, os primeiros elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes deu início aos analises no efeito semicondutor, a começo foi percebido ao acaso pelo cientista. Hughes descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Com suas experiências criou o detector eletromagnético por efeito semicondutivo, o diodo.

Os semicondutores são materiais sólidos geralmente cristalinos na qual possuem condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Como exemplos, podemos citar o carbono, Silício o Germânio, etc. Tornam isolantes quando puros e cristalinos à temperatura baixa de 0 k (zero Kelvin) ou –273,15 °C e excelentes condutores quando aquecidos à temperatura elevada.

Os semicondutores possuem uma participação incrível em nossa sociedade, sua utilização é importante na fabricação de componentes eletrônicos como diodos, transistores e outas aplicações, chips de microprocessadores, nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto o elemento semicondutor é indispensável na indústria eletrônica e confecção dos seus componentes.

1. JUSTIFICATIVA

Um dos fatos notáveis sobre este campo, assim como em muitas outras áreas da tecnologia, é que os princípios fundamentais mudam pouco ao longo do tempo.  Os sistemas são pequenos, as velocidades de corrente da operação são realmente extraordinárias e novos dispositivos surgem a cada dia. A maioria dos dispositivos em uso foi inventada há décadas e que as técnicas de projeto citadas em textos continuam sendo usadas, percebemos que grande parte do que notamos é fundamental na melhoria constante em técnicas de construção gerais e de aplicações, em vez do incremento de novos elementos e projetos.

A miniaturização nos últimos anos nos leva a pensar sobre seus limites. Sistemas complexos surgem agora em wafers milhares de vezes menores do que um único elemento de redes mais antigas. O primeiro circuito integrado (CI) foi desenvolvido por Jack Kilby quando ele trabalhava no Texas Instruments, em 1958 (Figura 1.1). Atualmente, o processador Intel Core TM i7 (Figura 1.2) tem 731 milhões de transistores em um encapsulamento apenas ligeiramente maior do que 1,67 polegada quadrada.

O principal do encapsulamento é simplesmente fornecer uma maneira de manusear o dispositivo ou sistema e oferecer uma estrutura de conexão com o restante do circuito. A miniaturização parece limitada por quatro fatores: a qualidade do material semicondutor, técnica de projeto de rede, limite do equipamento de fabricação e processamento e a força de espirito inovador na indústria de semicondutores.

O primeiro dispositivo eletrônico a ser abordado é o mais simples porem possui inúmeras aplicações, portanto abordaremos os materiais comumente usados em dispositivos sólidos e revisar algumas leis fundamentais de circuitos elétricos..

1. OBJETIVO 

• Conhecer as características gerais de três materiais semicondutores importantes: Si, Ge, GaAs.
• Compreender a condução usado a teoria de elétrons e lacunas.
• Ser capaz de descrever a diferença entre materiais do tipo n e p.
• Desenvolver uma compreensão clara do funcionamento básico e das características de um diodo nas regiões sem polarização, de polarização direta e reversa.
• Ser capaz de calcular a resistência CC, CA e CA média de um diodo a partir das curvas características,
• Compreender o impacto de um circuito equivalente, seja ele ideal ou prático.
• Familiarizar com o funcionamento e as características de um diodo Zener e um diodo emissor de luz.

1. MATERIAIS SEMICONDUTORES: Ge, Si, GaAs

A construção de cada dispositivo eletrônico individual de estado solido ou circuito integrado começa com um material semicondutor de alta qualidade. Os semicondutores são elementos cuja condutividade está entre um bom condutor e um bom isolante. O germânio (Ge) e silício (Si) são semicondutores de cristal singular e têm uma estrutura de cristal repetitiva, enquanto os semicondutores compostos como arsênio de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS), nitreto de gálio (GaN) e fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP), compõem-se de dois ou mais semicondutores de estruturas atômicas diferentes.

Nas primeiras décadas após a descoberta do diodo, em 1939, e do transistor, em 1947, usou-se quase exclusivamente o germânio, pois este era relativamente fácil de encontrar e estava disponível em quantidades razoavelmente grandes. Também era relativamente fácil de refinar até obter níveis muito elevados de pureza, um aspecto importante no processo de fabricação. No entanto, já nos primeiros anos descobriu-se que diodos e transistores construídos tendo o germânio como material de base sofriam de baixos níveis de confiabilidade, principalmente por causa de sua sensibilidade a variações de temperatura.

Finalmente em 1954, o primeiro transistor de silício foi lançado, logo tornando-se o material semicondutor preferido. O silício é não só menos sensível à temperatura, como também um dos materiais mais abundantes da terra, eliminando qualquer preocupação quanto à sua disponibilidade. Com o passar do tempo, o campo da eletrônica tornou-se cada vez mais sensível à questão da velocidade. Os computadores operavam em velocidades cada vez mais aceleradas e os sistemas de comunicação apresentavam altos níveis de desempenho. O resultado disso foi o desenvolvimento do primeiro transistor de GaAs, no início da década de 70, com velocidades de operação até cinco vezes superiores às do Si.

1. LIGAÇÕES COVALENTES E MATERIAIS INTRÍNSECOS

Os componentes fundamentais de um átomo são o elétron, o próton e o nêutron. Na estrutura de treliça, nêutrons e prótons formam o núcleo enquanto os elétrons aparecem em órbitas fixas ao redor do núcleo. No Ge e no Si, há quatro elétrons na camada mais externa, chamados de elétrons de valência. O Ga tem três elétrons de valência e o As, cinco. Os átomos que possuem quatro elétrons de valência são chamados de tetravalentes, aqueles com três elétrons são os trivalentes e os com cinco, pentavalentes.

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