• Leonardo Ritter

Cap. 4.0. Semicondutor: o que é e como funciona

Atualizado: há 4 horas


Imagem 1 - Wafer de Silício com vários chips

O assunto desse artigo é o semicondutor, uma classe de materiais amplamente utilizados na construção de transistores, diodos e nos microchips do aparelho que você está usando para ver este artigo.

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 quais são estes elementos?

Antigamente, o elemento químico utilizado na criação de semicondutores era o Germânio, mas o Silício, que possui algumas vantagens sobre ele acabou sendo o mais utilizado, e atualmente os estudos se voltam ao elemento químico Carbono, provável substituto do Silício num futuro bem próximo, no entanto existem diversos outros materiais utilizados para a criação de semicondutores que também serão abordados neste artigo.

Vamos ver agora um pouco sobre o Germânio e o Silício, os mais famosos semicondutores da eletrônica.


Germânio


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.

Imagem 2


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

Também é utilizado 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.

Imagem 3 - Representação de um átomo de Germânio acima. Perceba que ele tem 4 elétrons na última camada (camada de valência)


Silício


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.

Imagem 4


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.

Imagem 5 - Representação de um átomo de Silício. Perceba que ele possui 4 elétrons na última camada(camada de valência).

Aqui será explicado 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.


Material do tipo N


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.


Material do tipo P


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.

Diagrama 1 - 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.

Diagrama 2 - 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 zona de depleção 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).

Diagrama 3 - 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.

Diagrama 4 - 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.


Mas só existem 2 materiais?


Os materiais mais famosos são o Silício e o Germânio, porém a evolução da tecnologia e a necessidade de semicondutores com características específicas para determinadas aplicações fizeram com que muitos outros materiais surgissem na indústria. Um bom exemplo são diodos que emitem luz, como LED's e LASER's que utilizam uma grade variedade de semicondutores, sendo que o Silício e o Germânio não são tão comuns.

Para saber mais sobre o s LEDs e conhecer outros tipos de semicondutores, CLIQUE AQUI!

Os Termistores também são construídos a partir de semicondutores! Para saber mais, CLIQUE AQUI!

Os Varistores são componentes feitos de semicondutores também! Para saber mais, CLIQUE AQUI!

Outro componente comum feito de semicondutor é o resistor LDR! Para saber mais sobre ele e materiais utilizados em sua construção, CLIQUE AQUI!

Atualmente existem duas classes de semicondutores:

-> Os Semicondutores Inorgânicos (SI): São aqueles estudados até aqui, feitos de Silício, Germânio ou outros semicondutores, como por exemplo o Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP), utilizado para a produção de LED's vermelhos, ou então o Óxido de Ferro e Óxido de Titânio utilizado nos Termistores NTC. De forma resumida, os Inorgânicos são todos aqueles semicondutores que não possuem como base um átomo de Carbono;

-> Os Semicondutores Orgânicos (SO): São aqueles que possuem como base um átomo de Carbono formando moléculas pequenas, ou então cadeias carbônicas maiores conhecidas como "polímeros".


Aqui vai uma breve dissertação sobre os Semicondutores Orgânicos.

Os semicondutores Orgânicos podem ser empregados na construção de transistores de efeito de campo orgânicos (OFET), em novas tecnologias de células solares, LASERs, LEDs, sistemas de armazenamento de dados numéricos e circuitos integrados poliméricos. Várias empresas como IBM, Sony, Epson, Philips, Kodak e Pioneer já incorporaram esses materiais em suas linhas de produção. No entanto, o uso mais famoso dos SOs são os displays OLED utilizadas em TVs, smartphones e monitores modernos.


O grande avanço obtido nos últimos 50 anos em Nanotecnologia permitiu o surgimento de novas áreas de pesquisa em diferentes campos da Física, Química e Biologia. Em especial, o grandioso progresso em síntese de compostos orgânicos e manipulação de novas moléculas orgânicas que possibilitaram o surgimento da área de pesquisa conhecida como “Eletrônica Orgânica”, abreviada pela sigla “EO”. É daí que também vem o termo “Semicondutor Orgânico”, ou simplesmente “SO”.

Os SOs começaram a ser estudados de forma mais intensa nos anos 1980, e seu descobrimento levou à premiação do Nobel de Química a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid e Hideki Shirakawa em 2000. Em geral, os Semicondutores Orgânicos são constituídos de moléculas orgânicas conjugadas formadas principalmente de cadeias de Carbono, sendo suas propriedades elétricas diferentes das propriedades dos Semicondutores Inorgânicos (SI).

Os SOs podem ser classificados em duas categorias:

→ Polímeros: Para saber mais sobre, CLIQUE AQUI! Um exemplo de polímero utilizado na construção de LEDs orgânicos é o poli (p-fenilenevinileno), abreviado por PPV;

→ Moléculas pequenas, que são compostos orgânicos de baixo peso molecular quando comparadas aos polímeros, e que em geral são conjugados com ligações simples “σ” ou duplas “π”. Um exemplo é o tris(8-hidróxiquinolinato) de Alumínio dopado com Diclorometano (DCM2:Alq3), um dos materiais utilizados na construção de diodos orgânicos emissores de luz (OLED's);


Veja a imagem abaixo:

Imagem 6 - Alguns materiais utilizados na construção de OLED's


Para saber mais sobre estas telas de TVs e monitores que utilizam LEDs orgânicos, CLIQUE AQUI!

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Veja abaixo outros químicos que podem ser utilizados como Semicondutores Orgânicos:

Imagem 7


CURIOSIDADE: Capacitores CPA e Capacitores de Polímero de Tântalo utilizam um Semicondutor Orgânico em sua estrutura. Os polímeros mais comuns utilizados na fabricação destes componentes são o Polipirrol (PPy) ou Politiofeno (PEDOT ou PEDT).

Para saber mais sobre Capacitores CPA, CLIQUE AQUI!

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Da mesma forma que nos Semicondutores Inorgânicos, os SOs podem ser classificados como semicondutor Tipo-N ou semicondutor Tipo-P. No entanto, os filmes de semicondutores orgânicos não possuem uma rede cristalina, ou mesmo uma estrutura bem organizada para a maioria dos casos. Em geral, os SOs possuem uma cadeia amorfa, isto é, um grande número de defeitos (armadilhas em energia) em sua estrutura química originados no processo de síntese do material, ou devido a processos de degradação térmica (que podem gerar ruptura das ligações químicas, por exemplo) e até mesmo devido a efeitos de origem mecânica, como por exemplo torção ou compressão (estiramento) das cadeias orgânicas.

Veja as imagens abaixo:

Imagem 7 - Comparação entre Inorgânicos e Orgânicos


Na Imagem 7 temos:

→ (a): Imagem gerada por um STM (microscópio de varredura por tunelamento) da superfície de silício (111);

→ (b): Imagem gerada por um AFM (microscópio de força atômica) da superfície de um fino filme polimérico de SP (PCO20);

→ (c): Imagem gerada por um STM da superfície de um fino filme polimérico PEDOT.


Como consequência desta grande distribuição de defeitos nos compostos orgânicos, o transporte de cargas é limitado por estados de energia localizados, o que o torna lento e bastante incoerente. Por isso, o transporte ocorre através de um mecanismo conhecido como hopping, no qual o portador de carga se desloca (saltando) pelos estados de energia bem definidos. Estes estados de energia bem definidos, presentes nos Semicondutores Orgânicos SOs, constituem o que chamamos de orbitais moleculares de energia. Como assim?

De forma análoga aos Semicondutores Inorgânicos os SOs apresentam:

→ Uma equivalente Banda de Valência chamada LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) - Orbital Molecular Mais Baixo Desocupado;

→ Uma Banda de Condução HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) - Orbital Molecular Mais Alto Ocupado.


As lacunas, cargas positivas, são HOMO. Já os elétrons, cargas negativas, são LUMO. A distância entre as duas também é chamada Gap. De forma sucinta, já que isto foi explicado no artigo "Cap. 1.0: Eletricidade - Condutores e Isolantes", a LUMO é a nuvem de elétrons e a HOMO é as lacunas formadas nos orbitais do átomo.

Os cálculos dos níveis de energia destes materiais são bastante complexos, e exigem grande esforço computacional e compreensão dos processos físicos relacionados com as ligações químicas e transferência de energia. Por isso, a localização espacial do LUMO e HOMO das moléculas orgânicas nem sempre são precisamente conhecidas na maioria dos casos.

A mobilidade dos elétrons nestes materiais pode variar desde 10e-8 cm³/V.s a 10e-2 cm³/V.s e depende fortemente do campo elétrico aplicado, da temperatura, da espessura e da geometria do filme.


Uma das principais vantagens dos Semicondutores Orgânicos é que as propriedades mecânicas e de processabilidade podem ser alteradas mantendo as suas propriedades ópticas e elétricas. Por exemplo, o PPV, um semicondutor com Egap de aproximadamente 2,5 eV e insolúvel, quando modificado com a inserção de grupos alquila na posição 2 e 5 do seu anel aromático, o que resulta no alquil-PPV, passa a ser solúvel na maioria dos solventes orgânicos apolares, melhorando assim a sua processabilidade e mantendo a mesma Egap do PPV sem modificação.

Outra possibilidade dessa classe de materiais e que os torna extremamente atrativos para a indústria é a possibilidade de também manter as suas propriedades mecânicas (flexibilidade) e modular as suas energias de Gap. Se ao invés de utilizar grupos alquila para modificar o PPV utilizar grupos alcoxi nas mesmas posições 2 e 5, resultará, por exemplo, no MEH-PPV com um Egap reduzido de 2,5 para 2,1 eV.

Alguns tipos de Diodos possuem um semicondutor Intrínseco em sua estrutura e geralmente são referidos como "Diodos PIN". Mas o que seria este material Intrínseco?


Um semicondutor intrínseco, também chamado de semicondutor não dopado ou semicondutor do tipo “I”, é um semicondutor puro sem nenhuma espécie dopante significativamente presente. O número de portadores de carga é, portanto, determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas.

Em semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de lacunas são iguais, ou seja, N = P. Este pode ser o caso mesmo depois de dopar o semicondutor, embora apenas se ele for dopado com a mesma quantidade de doadores (N) e aceitadores (P). Nesse caso, N = P ainda é válido, e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado.


Um cristal de Silício ou um cristal de Germânio é diferente de um isolante pois, em qualquer temperatura acima do zero absoluto há uma probabilidade de que um elétron da órbita do átomo seja arrancado de sua posição, deixando para trás uma uma lacuna. Se uma tensão for aplicada, o elétron e a lacuna podem contribuir para um pequeno fluxo de corrente.

A capacidade de conduzir energia em um semicondutor pode ser modelada em termos da "Teoria de Bandas" estudada na Física dos Sólidos. O modelo de banda de um semicondutor sugere que em temperaturas comuns há uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a Banda de Condução e contribuir para a condutividade elétrica.


Em suma, a condutividade elétrica de semicondutores intrínsecos pode ser devido a defeitos cristalográficos ou excitação de elétrons. Em um semicondutor intrínseco, o número de elétrons na Banda de Condução é igual ao número de lacunas na Banda de Valência. Um exemplo é Hg0,8CD0,2Te (Telureto de Mercúrio e Cádmio) à temperatura ambiente.


Para saber mais sobre a Teoria das Bandas leia o artigo Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes.


Para finalizar, em um Diodo PIN o material Intrínseco fica entre o material P e o material N e funciona como uma zona de depleção bem mais espessa. Diodos LASER e até Fotodiodos foram criados com base nesta mesma estrutura dos diodos PIN. O funcionamento destes componentes eletrônicos merece um artigo próprio aqui no blog.


Mas e os semicondutores Extrínsecos?

Quando é pego um semicondutor Intrínseco (isto é, sem impurezas significativamente presentes, ou seja, sem dopagem) e o dopamos com alguma impureza para alterarmos suas características condutoras, o tornamos um semicondutor Extrínseco. No entanto, como dito anteriormente, caso ele for dopado com a mesma quantidade de doadores (N) e aceitadores (P), ainda pode ser chamado de Intrínseco.


Existem fotoresistores e fotodiodos feitos tanto de semicondutores Intrínsecos quanto Extrínsecos, tudo depende da aplicação. Quando falamos de fotoresistores, nos vem na cabeça os resistores LDR, pequenos fotocondutores utilizados como sensor crepuscular em sistemas de iluminação e que possuem em sua estrutura camadas de material semicondutor Intrínseco. Vale lembrar que LDRs feitos de semicondutor Extrínseco também existem, mas costumam operar na faixa de IR.


A melhoria da eficiência dos dispositivos OLED (Semicondutores Orgânicos) consiste em promover um aumento do número de recombinações elétrons-lacunas no interior da Camada Emissiva (CE), com a finalidade de se obter assim decaimentos radiativos para emissão de fótons. Entretanto, é conhecido que em materiais poliméricos apenas um tipo de portador de cargas tem mobilidade preferencial, ou seja, ou ele possui elevada mobilidade de elétrons (tipo N) ou de lacunas (tipo P), mas nunca as duas ao mesmo tempo, sendo a maioria dos polímeros possuindo as lacunas como portadores majoritários (cerca de 2 ordens de grandeza maior em relação ao número de portadores de cargas negativas), levando assim a um desbalanceamento de cargas e uma diminuição do número de recombinações radiativas. Com isso podemos concluir que estes Semicondutores Orgânicos são de estrutura Extrínseca.

Resumindo:


-> Semicondutores foram criados em laboratório a partir de elementos químicos diversos da Tabela Periódica;


-> Os Semicondutores mais comuns são aqueles feitos de Silício e Germânio, porém LEDs e LASERs são exemplos de componentes que não costumam ser feitos destes materiais, principalmente por uma questão do Gap entre Banda de Valência e Banda de Condução que prejudica a geração de luz com eficiência;


-> O Silício ainda é o Semicondutor mais comum para a criação de Diodos comuns, Transistores e microchips diversos, apesar dos estudos em cima do Carbono estarem em andamento;


-> Um componente feito de Semicondutor tem no mínimo um pedaço de material N (excesso de elétrons) e um pedaço de material P (falta de elétrons, formando lacunas vazias);


-> A zona onde um material P entra em contato com um material N forma a chamada barreira de potencial, barreira de junção ou zona de depleção;


-> Os Semicondutores podem ser classificados em Orgânicos (estrutura química com base em um átomo de Carbono) e Inorgânicos (estrutura química com base em outros elementos que não sejam o Carbono);


-> Semicondutores Orgânicos são classificados de duas maneiras: existem as "Pequenas Moléculas" e os "Polímeros" (que são estruturas químicas mais extensas e com peso molecular maior);


-> Semicondutores Inorgânicos possuem a Banda de Valência e Banda de Condução, sendo que nos Orgânicos existe a LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) e a HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital), respectivamente;


-> Os Semicondutores Orgânicos e Inorgânicos podem ser classificados em Intrínsecos (sem dopagem significativa ou com dopagem em mesma quantidade entre material N e P) e Extrínsecos (com dopagem desigual entre os materiais N e P).

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 - há a questão da corrente de fuga) 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 artigo 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.

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CRÉDITOS e FONTES:

Desenhos: Leonardo Ritter

Referências: livro "Eletrônica Para Autodidatas, estudantes e Técnicos"; InfoEscola; Mundo Educação; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).

Última atualização: 30 de Maio de 2021.

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