terça-feira, 21 de janeiro de 2014

Materiais Semicondutores

Notas de aula Eletrônica Analógica

A estrutura do átomo
Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por prótons e nêutrons. Sendo que o número de prótons, elétrons e nêutrons é diferente para cada tipo de elemento químico.

Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem definidos conhecidos como K,L,M,N,O,P e Q representado no modelo atômico de Bohr.



Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita. Um elétron em P tem menos energia que um elétron na órbita Q. A energia pode ser esquematizada como mostra a figura abaixo.



A última órbita de um átomo define sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa(calor, luz, ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento de elétrons da última órbita de ambos os átomos). Por isso o nome de órbita de valência ou banda de valência.
Os elétrons da banda de valência são os que têm maior facilidade de abandonar o átomo, pois possuem uma energia maior e também por estarem a uma distância maior do núcleo do átomo onde a força de atração eletrostática é menor. Por isso uma pequena quantidade de energia pode ser suficiente para que esses elétrons se tornem livres formando assim a banda de condução tornando-se capazes de se movimentar pelo material. São esses elétrons que sob o efeito de um campo elétrico formam a corrente elétrica.



O fato das órbitas estarem a distâncias bem definidas faz com que surja entre elas uma banda proibida, onde não é possível existir elétrons. O tamanho dessa banda na última camada define o comportamento elétrico do material.



No primeiro caso os elétrons tem que dar um salto de energia muito grande para atingir a banda de condução. Poucos elétrons chegam à banda de condução e produzem uma corrente muito pequena. Esses materiais são os isolantes.
No segundo caso pouca energia é necessária para os elétrons atingirem a banda de condução. Isso ocorre em materiais metálicos que a temperatura ambiente é suficiente para o surgimento de uma grande quantidade de elétrons livres. Esses materiais são os condutores.
O terceiro caso é um intermediário entre os dois outros. O elétron precisa dar um pequeno salto para chegar a banda de condução. Esses materiais são chamados semicondutores.
Material Semicondutor
Existem vários tipos de semicondutores. Os dois mais conhecidos são o silício(Si) e o germânio(Ge). Ambos possuem quatro elétrons na última camada e por isso podem realizar quatro ligações covalentes com outros átomos. Existem também outros semicondutores como o Arseneto de Gálio(GaAs) e o Fosfeto de Índio(InP) que são formados por matérias trivalentes(três elétrons na última camada) e pentavalentes (cinco elétrons na última camada). Estes semicondutores são chamados intrínsecos pois se encontram em estado natural.
O silício é o material mais utilizado devido à abundância com que é encontrado na natureza (pode ser obtido a partir do quartzo encontrado na areia), e, portanto é mais barato. 

Condução nos Semicondutores
A figura abaixo mostra que um elétron ficou livre após receber energia suficiente.



Após um tempo observou-se que o íon positivo “andou” conforme mostra a figura abaixo.

O que ocorreu? Como assim “andou”, se os átomos estão presos a estrutura do material? Na verdade o que ocorreu foi que um elétron abandonou seu lugar em outro átomo e ocupou o lugar do elétron anterior formando um novo íon positivo.  
O movimento do íon positivo pode ser chamado de movimento de cargas positivas, chamadas de lacunas.  O movimento de cargas negativas, os elétrons, significa a mesma coisa  que o movimento das lacunas só que no sentido contrário.
Este fenômeno sempre ocorre quando há condução elétrica. Em um condutor, por possuir muitos elétrons livres o movimento das lacunas é desprezível. Porém o movimento das lacunas não pode ser desconsiderado nos materiais semicondutores.
Semicondutores Tipo P e Tipo N
Se forem adicionados ao cristal de silício, átomos de um material que possua cinco elétrons na última camada como por exemplo: Arsênio (As), Antimônio (Sb) e Fórforo (P). Estas impurezas irão assumir a mesma estrutura do silício e realizar quatro ligações covalentes com seus átomos vizinhos sobrando então um elétron livre. Por isso essas impurezas pentavalentes são chamadas de impurezas tipo N. Desta forma o número de elétrons livres será maior do que o número de lacunas. Como elétrons livres são cargas elétricas negativas, este semicondutor é chamado de tipo N.
Se forem acrescentados ao cristal de silício, átomos de um material que possua três elétrons na última camada como por exemplo: Alumínio(Al), Boro(B) e Gálio(Ga). Este átomo também irá assumir a mesma estrutura do cristal e realizará as ligações covalentes sobrando dessa vez uma ligação a fazer. Ao contrário do tipo N, teremos aqui um número maior de lacunas. Como o número de lacunas é maior do que o de elétrons esse semicondutor é chamado tipo P.
Este processo é chamado de dopagem, e as impurezas também são chamadas de dopantes. No caso do Arseneto de Gálio não existe uma dopagem propriamente dita. Os semicondutores tipo P são obtidos com o aumento da dose de arsênio (As) e tipo N com o aumento da dose de Gálio(Ga).

Referências Bibliográficas

·         MARQUES, Angelo Eduardo B.; CRUZ, Eduardo Cesar A.; CHOUERI JR., Salomão. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. 12.ed. São Paulo: Érica, 2010.

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