Cap. 04. Semicondutores: o que é e como funciona

Cap. 04. Semicondutores: o que é e como funciona

04/11/2017

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                                            Imagem de um wafer de Silício com vários chips

 

   Olá! Hoje vamos entrar no interessante mundo da química para desvendar o funcionamento dos semicondutores, que são amplamente utilizados na construção de transistores, diodos e nos microchips do aparelho que você está usando para ver este artigo! Então vamos lá!

  Primeiramente, você tem que saber que os semicondutores não existem na natureza, isto é, foram criados pelo ser humano a partir de elementos químicos naturais. Mas que elementos?

  Antigamente, o elemento químico utilizado na criação de semicondutores era o Germânio mas, o Silício, que possui algumas vantagens sobre ele, sempre foi o mais utilizado e atualmente os estudos se voltam ao elemento químico Carbono, provável substituto do Silício num futuro bem próximo. Vamos ver agora, um pouco sobre o Germânio e o Silício.

   O Germânio, possui o símbolo Ge e ocupa a terceira posição do grupo 14 na tabela periódica, o mesmo grupo do Silício. Leva o número atômico 32 e massa atômica próxima de 72,6 UMA (Unidade de Massa Atômica).

  Este elemento é sólido, duro, quebradiço, de brilho intenso e coloração branco-acinzentada. O Germânio não é encontrado puro no ambiente, e sim como componente de outros minérios. Um exemplo desses minérios é a germanita.

  O Germânio tem uma estrutura cristalina parecida com a do diamante, quando encontrado em estado natural.

  É um ótimo condutor de calor e seus valores de ponto de fusão e ebulição são 938°C e 2832°C.

  Para se obter o Germânio é usado o processo de extração via fusão fracionada, pois é eficiente e muito usado quando o Germânio é utilizado para a fabricação de semicondutores.

  Também é usado o processo de remoção via composto de cloreto (GeCl4) que, na sequência, é transformado em dióxido de germânio (GeO2) via hidrólise e, por fim, é adicionado hidrogênio ou carvão, para ser feito o germânio puro.

  Os minérios em que se encontra grandes quantidades de Germânio são a germanita (7CuS.FeS.GeS2), a argirodita (4Ag2S.GeS2) e a ranierita ((Cu,Ge, Fe, Zn, As)S). Também é encontrado (cerca de 0,3%) no carvão mineral.

  Veja o átomo de Germânio acima. Perceba que ele tem 4 elétrons na última camada(camada de valência).

   O Silício, possui o símbolo Si e ocupa a terceira posição do grupo 14 na tabela periódica, o mesmo grupo do Germânio. Leva o número atômico 14 e massa atômica próxima de 28,0 UMA (Unidade de Massa Atômica).

  Este elemento é sólido, duro, possui um brilho metálico, cor cinza e está presente na areia, rochas, barro, solo e também pode ser encontrado nas águas naturais, em plantas, na atmosfera, entre outros lugares.

  O Silício é o segundo elemento químico mais abundante do planeta(27,7%), ficando atrás do oxigênio. O Silício nunca é encontrado na forma pura, e sim como componente de outros minérios. O ponto de fusão do Silício é 3.365°C.

  Quando combinado com oxigênio e outros elementos, é formado silicatos, como o quartzo e a mica. Para se obter Silício ultra puro para a fabricação de semicondutores, é feita a decomposição do silano (SiH4) ou de tetrahaletos de Silício em altas temperaturas.

  A vantagem do Silício sobre o Germânio é que o Silício é mais abundante na natureza e sua extração é mais fácil e barata.

  Este é o átomo de Silício. Perceba que ele possui 4 elétrons na última camada(camada de valência).

 

  Componentes eletrônicos como por exemplo o LED (Diodo Emissor de Luz) não utilizam como base o Silício ou o Germânio, pois a quantidade de luz gerada a partir deste condutores é muito baixa. Por exemplo, para LED's que emitem luz vermelha pode ser utilizado um semicondutor a base de GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide). Para cada cor formada nos LED's há uma combinação de elementos químicos que formam os semicondutores.

  Na eletrônica, há os termistores NTC e PTC, que também são feitos de semicondutores mas, não utilizam o Silício e o Germânio como base. Os NTC mais comuns são feitos de Óxido de Ferro com Óxido de Titânio. já os PTC são feitos de Óxido de Lítio mais Óxido de Cobalto ou uma cadeia policristalina de cerâmica com Titanato de Bário.

  Aqui explicaremos o funcionamento dos semicondutores a base de Silício e Germânio mas, a ideia é a mesma para todos os outros semicondutores!

  Um componente semicondutor pode funcionar como um condutor ou como um isolante, dependendo da tensão aplicada em seus terminais.

  Os materiais semicondutores são feitos em laboratório a partir de estruturas cristalinas de Silício ou de Germânio puras que são dopadas com impurezas, ou seja, outros elementos químicos. Tanto o átomo de Silício, quanto o de Germânio, possuem 4 elétrons na camada de valência, fazendo com que eles criem até 4 ligações covalentes, ou seja, o átomo precisará se juntar com mais 4 elétrons para ficar estável. Essa é uma característica de metais que possuem 4 elétrons na camada de valência.

  Partindo desta ideia, se numa cadeia de átomos de Silício ou de Germânio substituirmos alguns átomos por elementos químicos que tem 5 elétrons livres na última camada, como por exemplo o Bismuto, o Fósforo, o Arsênio e o Antimônio, teremos um elétron sobrando para cada impureza inserida na estrutura cristalina. O material gerado com a adição destas impurezas se chama N e os elétrons que ficam sobrando nessa estrutura cristalina podem ser chamados de impurezas doadoras ou impurezas negativas. Ele funciona como o polo negativo, já que, possui excesso de elétrons, e por este motivo é chamado de material do tipo N.

  O polo positivo, é baseado nesta mesma ideia de dopagem, só que nas cadeias de átomos são inseridas impurezas com três elétrons livres na última camada. Os elementos químicos utilizados para a dopagem podem ser o Índio, o Gálio ou o Boro. Desta forma, faltam elétrons nas cadeias cristalinas, formando o material P e as lacunas (espaços vazios) que precisam de elétrons para manter a estabilidade química podem ser chamadas de impurezas receptoras, impurezas aceitadoras ou portadoras positivas.

  Num componente semicondutor, como por exemplo o diodo, é colado um pedaço do material do tipo N num pedaço de material do tipo P. O local onde esses dois materiais estão em contato é chamado de junção.

  Em amarelo o material do tipo N(negativo) e em vermelho o material do tipo P(positivo).

 

  É próximo dessa área que os elétrons livres do polo negativo e as lacunas do polo positivo tendem a se atrair, fazendo com que, nessa área de junção, os elétrons livres do polo negativo preencham os espaços livres do polo positivo, e assim eles entram em equilíbrio.

      Em cor laranjada a barreira de potencial (onde os elétrons já estão em equilíbrio).

 

  Os elétrons que estão mais longe da área de junção, não conseguem se atrair e entrar em equilíbrio, pois na área de junção, os elétrons já estão em equilíbrio. Este efeito é chamado de barreira de potencial, barreira de junção ou zona de depleção.

  A única forma de fazer com que a barreira acabe é aplicar uma diferença de potencial para que esta barreira seja vencida e a corrente elétrica vinda da fonte de alimentação possa repelir o excesso de elétrons do polo negativo (material do tipo N) fazendo com que eles circulem para o polo positivo (material do tipo P).

  Perceba que depois de ligar o componente na fonte de alimentação a barreira de potencial foi dissolvida.

 

  Para que todas as lacunas e elétrons sobrando (não só da área de junção, mas sim de todo o componente) se atraiam, é necessário que a diferença de potencial aplicada nos terminais tenha um determinado valor. No caso de um semicondutor de Silício, a diferença de potencial necessária para o componente começar a conduzir é de aproximadamente 0.7 V e, no caso do Germânio é necessário aproximadamente 0,3 Volts. Portanto, se um diodo de silício, por exemplo, for alimentado com uma tensão de 10 Volts, o diodo irá consumir 0,7 Volts para poder conduzir o restante (9,3 V).

  Outro fator que influência no funcionamento do semicondutor é a corrente elétrica. Se você leu os outros artigos desta série, já sabe que uma corrente elétrica é um fluxo ordenado de elétrons. A corrente elétrica máxima que o componente feito de semicondutor suportará depende da quantidade de elétrons sobrando no material P e faltando no material N. Caso a corrente elétrica aplicada seja maior do que a suportada pelo semicondutor do componente, ele será sobrecarregado, superaquecerá (emitindo radiação térmica devido à maior agitação do átomos), emitira luz (devido ao salto quântico que pode ocorrer de acordo com a sobrecarga) e entrará em colapso, isto é, sua estrutura será completamente danificada.

   Depois da inversão de polaridade a barreira de potencial aumenta muito impedindo a passagem de elétrons

 

  Ao inverter a polaridade do componente no circuito, ele vai fazer uma barreira a passagem de corrente elétrica, pois o material do tipo P está com falta de elétrons e o material do tipo N está com excesso deles, então, a corrente elétrica chegará no polo positivo, aumentando ainda mais a barreira de potencial mas, mesmo assim uma corrente elétrica muito pequena, chamada de corrente de fuga e que em várias aplicações é considerada desprezível, vai passar pelo componente.

  Essa corrente de fuga depende da qualidade da dopagem feita no Silício ou no Germânio e também da temperatura em que está a área de junção. A temperatura muito alta faz com que os elétrons se soltem mais facilmente das cadeias cristalinas, então, quanto menor a temperatura de operação, e quanto maior a qualidade do semicondutor, menor será a corrente de fuga.

  É assim que um semicondutor funciona: se polarizado de forma normal ele conduz energia, mas se for feito o contrário, ou seja, ligar o polo positivo do componente no polo negativo da fonte e ligar o polo negativo do componente no polo positivo da fonte, o semicondutor vai funcionar como um isolante, impedindo (teoricamente) a passagem de corrente elétrica.

  Com isso também foi possível manipular a corrente elétrica, substituir as antigas válvulas, usadas na eletrônica e criar novos componentes eletrônicos, como por exemplo, o transistor, que é essencial para o funcionamento de qualquer computador.

  Quer saber mais sobre eletrônica? A partir deste ficará mais fácil para você entender explicações detalhadas sobre o transistor, o tiristor, diodo, fotodiodo, fototransistor e vários outros componentes eletrônicos que serão detalhados futuramente aqui no site. Então fique de olho, que logo tem mais! Não perca!

 

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CRÉDITOS e FONTES:

 

Desenhos: Leonardo Ritter

Referências: livro "Eletrônica Para Autodidatas, estudantes e Técnicos"; InfoEscola; Mundo Educação.

 

Última atualização: 17 de Junho de 2018.

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