SEMICONDUTORES

Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. A característica mais interessante do material semicondutor, e que o mesmo é usado na fabricação de vários componentes eletrônicos, e assim variar a condutividade elétrica dos componentes pela alteração controlada de sua composição, por fatores térmicos e pela própria eletricidade.

Condutor, sempre conduz em qualquer condição.

Isolante, não conduz dentro da sua tenção de isolação.

Semicondutor, não conduz em uma condição e conduz em outra.

Qual a vantagem de um Semicondutor?

Já imaginou um componente que se possa controlar uma quantidade considerável de corrente, se eu quero que passe pouco, muito ou nada ...

Semicondutores:

São materiais que possuem características intermediarias entre condutor e isolante.

Os principais elementos utilizados na confecção de semicondutores são o Si Silício e o Ge Germânio, porém existem  outros mais específicos como:  CdS Sulfeto de Cádimo, GaAs Arsenieto de gálio, InP fosfeto de índio.

O Si e Ge possuem quatro elétrons na ultima camada, por isso são chamados de tetravalentes.

 

Os átomos que têm quatro elétrons na camada de valência tendem a se arranjar ordenadamente formando uma estrutura cristalina compartilhando seus elétrons de valência com átomos vizinhos, esse tipo de ligação química recebe a denominação de ligação covalente.

Estrutura plana e tridimensional

Na forma cristalina, o silício e o germânio puros são materiais semicondutores com propriedades elétricas próximas àquelas de um isolante perfeito.

Proposta vamos construir um cristal de silício com bolas de gude, palito de dente e cola quente...

Poderá ser em um só plano ou tridimensional.

Dopagem

A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.

 Os materiais encontrados em sua forma natural, geralmente contêm um certo grau de impurezas que se instalam durante o processo de formação desses materiais. Essa situação pode ser caracterizada como um processo de dopagem natural.

A dopagem também pode ser realizada em laboratório, com o objetivo de introduzir no cristal uma determinada quantidade de átomos de impurezas, de forma a alterar, de maneira controlada, as propriedades físicas naturais do material.

Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas. O grau de condutividade bem como o mecanismo de condução do semicondutor dopado irá depender dos tipos de átomos de impureza introduzidos no cristal.

Ao dopar os cristais os semicondutores ficarão do tipo P ou N, dependendo do elemento usado para dopagem.

Dopagem tipo n

A formação de um semicondutor tipo n ocorre quando são introduzidos átomos de fósforo na estrutura cristalina do silício. O fosforo tem 5 elétrons na camada de valência e apenas quatro dos cinco elétrons de valência do fósforo podem participar das ligações covalentes com os átomos de silício.

O quinto elétron de valência do átomo de fósforo não participa de nenhuma ligação covalente, pois não existe um segundo elétron de valência disponível nos átomos vizinhos que possibilite a formação dessa ligação.

Esse elétron extra pode, portanto, ser facilmente liberado pelo átomo de fósforo, passando a transitar livremente através da estrutura do cristal semicondutor.

Com a adição de impurezas, e consequente aumento no número de elétrons livres, o cristal que era puro e isolante passa a conduzir corrente elétrica em qualquer direção. 

Semicondutor tipo n: é o semicondutor dopado com átomos penta valente, ou seja, contendo excesso de um ou mais elétrons na camada de valência. Nesses materiais a corrente elétrica é conduzida predominantemente por cargas negativas, ou seja, os elétrons livres. Essa condução elétrica ocorre independentemente da polaridade da tensão aplicada entre as extremidades do material semicondutor, conforme a figura acima.

Dopagem tipo P

A formação de um semicondutor tipo P ocorre quando são introduzidos átomos de Índio na estrutura cristalina do silício. O Índio tem 3 elétrons na camada de valência e assim os três faz as ligações covalentes com os átomos de silício e fica uma lacuna.

Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.

No caso do semicondutor tipo n, os elétrons adicionais resultantes do processo de dopagem podem transitar livremente no interior do material.  Por outro lado, quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um elétron proveniente de uma ligação covalente só poderá transitar para um ponto do cristal onde haja uma lacuna disponível.

O movimento de elétrons de valência se dá do pólo negativo para o pólo positivo, pela ocupação de lacunas disponíveis na rede cristalina. Nesse processo, cada elétron torna disponível uma nova lacuna em seu sítio de origem, como pode ser observado na representação.

Esse movimento de elétrons equivale portanto, a um movimento de lacunas do pólo positivo para o pólo negativo do material. 

Semicondutor tipo p: é o semicondutor dopado com átomos tetravalente, ou seja, contendo deficiência de um ou mais elétrons na camada de valência. Nesses materiais a corrente elétrica é conduzida predominantemente por lacunas que se comportam como portadores de carga positiva durante o processo de condução elétrica. Assim como nos semicondutores tipo n, essa condução elétrica ocorre independentemente da polaridade da tensão aplicada entre as extremidades do material semicondutor.

A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser controlada pela dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal, durante a etapa de fabricação.

Ação Térmica nos Semicondutores

Qualquer material quando sofre um aquecimento os elétrons ficam mais agitados, isso não é novidade, nos semicondutores não é diferente, a temperatura exerce influência direta sobre as propriedades elétricas de materiais semicondutores. Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento de energia térmica do elétron de valência facilita a sua liberação da ligação covalente de que participa. Cada ligação covalente que se desfaz por esse processo propicia, portanto, a geração de um par elétron/lacuna a mais na estrutura do cristal

Com o aumento da temperatura consequentemente aumenta o número de portadores devido ao aquecimento do cristal e assim com mais elétrons livres temos mais condutividade, permitindo assim que se obtenha um maior fluxo de corrente no material.

Bons  Estudos... Josiley Braz.