Semicondutores
Assim como existem materiais condutores e materiais isolantes, existe um tipo de material que é um meio termo entre esses dois primeiros. Esse material é o semicondutor.
O semicondutor, portanto, possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção atualmente. Seu comportamento se deve à sua ligação química, chamada ligação covalente (por compartilhar elétrons). Nas figuras a seguir você vê a estrutura bidimensional do silício (usada apenas para o entendimento deste) e sua estrutura tridimensional (como realmente é).
Cada átomo do silício se liga a quatro átomos vizinhos através da ligação covalente, ou seja, pares de elétrons (da última camada do Si) são compartilhados entre dois átomos. Os elétrons das camadas internas giram em torno do núcleo.
Um fato importante é que tanto o germânio como o silício apresentam exatamente o mesmo tipo de estrutura que o diamante, variando apenas a dimensão (constante da rede).
Tipos n e p
Mas, da forma como foram apresentados nas figuras acima, em temperatura ambiente e completamente puro, Si e o Ge são isolantes! Existem duas formas de aumentar a condutibilidade desses materiais. Uma delas é aumentando a sua temperatura. Quanto maior a temperatura do semicondutor mais os elétrons da ultima camada (compartilhados) se destacam de sua ligação e se tornam elétrons livres.
Outra forma de aumentar a condutibilidade do material semicondutor é introduzindo impurezas em sua estrutura química, tornando então, um semicondutor contaminado (também chamado de dopado). Essas impurezas, se inseridas de forma uniforme pelo material e em quantidade controlada (um para um milhão, por exemplo) esse semicondutor apresentará novas características.
Por exemplo, se utilizarmos o arsênio como impureza e com ele contaminarmos o silício, haverá então, no silício alguns átomos de arsênio espalhados pelo silício.
Como o arsênio é pentavalente, ou seja, tende
a estabelecer cinco ligações com átomos vizinhos, mas apenas quatro de seus
elétrons são compartilhados com os átomos de silício, o quinto elétron ficará
livre pelo material servindo, assim, de transportador de carga negativa. Preparado
dessa forma o semicondutor é denominado de tipo n e os átomos dos
materiais que fornecem os elétrons de condução, no caso o arsênio, são
denominados doadores. Mesmo após a contaminação, o semicondutor
permanece eletricamente neutro, pois o número de prótons carregados
positivamente no núcleo ainda é igual ao número de elétrons livres, e orbitando
carregados negativamente na estrutura.
Se, ao invés de usarmos um material pentavalente na contaminação, usarmos um material trivalente (com três elétrons de valência), uma lacuna (buraco) será criada, pois agora há um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes da rede formada. A esse material semicondutor com impureza trivalente dá-se o nome de material tipo p e seus transportadores de carga são lacunas. O boro é um exemplo de material trivalente e é muito usado para esse fim. Essas impurezas com três elétrons de valência são chamadas átomos aceitadores. Da mesma forma que o material tipo n, esse é eletronicamente neutro.
Mas como uma lacuna pode ser um transportador
de carga?
Quando um elétron se move para um lado preenchendo uma lacuna, forma-se uma lacuna no lugar onde esse elétron estava, podendo-se considerar que a lacuna moveu-se para o lado oposto do elétron.
Junções PN
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As junções PN são a união de um semicondutor tipo P com um tipo N para a composição de um componente eletrônico. Componentes que usam este tipo de junção são os diodos. Os transistores utilizam outros tipos de junções: a PNP e a NPN, mas para estudo do funcionamento do semicondutor é mais prático estudarmos apenas a junção PN. Esta junção é largamente utilizada na indústria eletrônica tanto em diodos como em CI's. Para ilustrar mais facilmente vamos utilizar um diodo do tipo ideal. Um diodo ideal possui um lado de semicondutor tipo P e outro de tipo N. Estes semicondutores estão em contado direto. Devido à presença de elétrons livres região N e buracos em maioria na região P, então há o deslocamento de elétrons de N para P de de buracos de P para N. Mas nessa transição, forma-se uma barreira de potencial elétrico na junção dos materiais impedindo que um supra a necessidade do outro. Para que haja agora uma passagem de corrente elétrica pela junção é preciso que seja inserida uma diferença de potencial elétrico nas extremidades do diodo através de uma fonte de tensão externa. Mas para isso é preciso que o terminal + da fonte esteja conectado na região P, para que os buracos serem "expulsos" para a região N, e o terminal - na região N para que os elétrons migrem para a região P. Este tipo de conecção se chama polarização direta. |
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Quando se invertem os terminais da fonte, os buracos de P não iram para a região N pois estão sendo atraídos pela força - da fonte e os elétrons de N não irão para P devido à força do terminal + da fonte. A esta conexão damos o nome de polarização inversa. |
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Devido a essa característica o diodo é extremamente utilizado: ele permite a existência de corrente elétrica quando polarizado diretamente e impede a corrente quando polarizado inversamente. |
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