Semicondutores

Semicondutores

1. Introdução

Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação, também são materiais cristalinos ou sólidos. Estas duas características combinadas conferem a estes materiais uma grande importância tecnológica.

Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica, estando presentes em praticamente todos os aparelhos eletro-eletrônicos que conhecemos, desde um simples rádio a pilha até os mais sofisticados computadores.

Possuem condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes. Ao contrário do comportamento observado nos metais, contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se consideravelmente aquecidos, contudo.

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem). A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle de correntes elétricas.

2. Afinal, por que utilizamos Semicondutores??

Antes de falar de semicondutores, temos que lembrar dos constituintes básicos da matéria, os átomos. Não durma ainda, é rápido. Basicamente o que temos que lembrar é que a matéria tem uma parte positiva e paradona (os prótons), e uma parte negativa, menor e móvel (o elétron). São os elétrons que, ao entrar em movimento formam a eletricidade como a conhecemos.

Vamos imaginar então um sólido de silício. O silício tem 4 elétrons na camada mais externa, ou seja, tem 4 elétrons mais “móveis”. Cada camada dessas mais externas, chamadas camadas de valência, tem 8 buracos para elétrons. 8 espaços a serem preenchidos. Então, nesse sólido de silício, tá tudo ‘fechado’, digamos assim, pois os elétrons se combinam com os espaços que sobram e deixam o cristal de silício impermeável à eletricidade, uma vez que os elétrons usam esses espaços vazios para se movimentar.

Mas se o silício não conduz eletricidade, porque fazemos equipamentos eletrônicos com ele?

Basicamente porque a gente não usa silício puro. Os semicondutores são silício “sujo”, com algumas impurezas estrategicamente colocadas ali para garantir essa condutividade, além de outras propriedades. Essa técnica é chamada de ‘dopagem’, da qual existem dois tipos, a P e a N(de Positivo e Negativo).

Na dopagem tipo N, temos excesso de elétrons (cargas negativas), são colocados átomos de Arsênio (As) ou Fósforo (P), que tem 5 elétrons na camada de valência, e na hora de ‘fechar’ com os átomos de silício acaba sobrando um elétron. Essa sobra faz com que o cristal de silício se torne um condutor razoável, mas não ótimo.

Na dopagem tipo P, são colocados átomos de Boro (Bo) ou Gálio (Ga). Esses átomos tem 3 elétrons nessa camada mais externa, o que faz com que, na hora de se ligar com os átomos de silício, fiquem faltando ligações, ou seja, são criadas “lacunas”.

Sozinhos, esses cristais não são de muita valia. São condutores medianos, mas nada comparados aos metais, por exemplo. Então qual a graça de mexer com semicondutores?

A mágica dos semicondutores ocorre justamente quando começamos a combinar esses cristais com dopagens diferentes. Quando em duplas temos os diodos e quando em trios temos os transistores. A mágica ocorre quando as lacunas de um cristal encontram os elétrons livres do outro. Coisa muito romântica.

3. Tipos de componentes:

(pesquisar aqui todos os tipos de componentes formados por semicondutores, enfatizar os diodos!)

Nós nos aprofundaremos no primeiro tipo de diodo, o Diodo de Galena ou Bigode de Gato (Cat’s Wisker).

História: Em 1874 o físico alemão Karl Ferdinand Braundescobriu que certos minerais como a galena ou Sulfeto de Chumbo, tinham a propriedade da condução unidirecional, ou seja, permitiam a passagem de impulsos elétricos de corrente alternada em apenas uma direção inibindo o seu retorno.

Na realidade os estudos de Braun estabeleceram as propriedades de retificação do contato de um fio metálico sobre a superfície do mineral galena, criando assim a primeira junção metálica semicondutora.

Baseado nas pesquisas do Prof. Braun, em 1902, Greenleaf Whittier Pickard descobriu o princípio da detecção por cristal.

É um fenômeno bastante simples, uma vez que opera como um retificador, convertendo a radiação de alta freqüência da corrente alternada para corrente contínua.

4. Diodo de Galena:

Galena é um mineral composto de sulfeto de chumbo(II), e o mais importante dos minérios do chumbo e praticamente o único. A galena é um semicondutor e foi utilizado na confecção de diodos detectores antes da popularização do uso de dispositívos