Semicondutores

Neste artigo analisaremos os materiais semicondutores, conhecendo seu princípio de construção e comportamento quando submetidos a uma tensão elétrica.

Caso o leitor não tenha um conhecimento prévio sobre átomos, camada de valência e elétrons livres, acesse esses outros dois artigo aqui no blog, Átomo e Eletricidade.

Materiais Semicondutores

Os materiais semicondutores são aqueles que podem apresentar características de isolantes ou de condutores, dependendo da forma como se apresenta a sua estrutura química.

O carbono é um exemplo típico de material semicondutor, pois, dependendo da forma como os átomos estão arranjados, o material pode se tornar isolante (diamante) ou condutor (grafite).

Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos tetravalentes, ou seja, que possuem 4 elétrons na última camada.

O silício e o germânio são exemplos de materiais semicondutores tetravalentes.

Átomos que possuem 4 elétrons na última camada tendem a se agruparem segundo uma estrutura cristalina. Neste tipo de formação, cada átomo se combina com outros, fazendo com que cada elétron da camada de valência pertença a dois átomos simultaneamente. Esse tipo de ligação é chamada de ligação covalente. Na imagem abaixo temos um exemplo.

Ligação covalente silício

Um material com essa formação atômica é altamente estável e por isso isolante, já que tem bem “amarrados” todos os elétrons da última órbita. Contudo, se esse material sofrer um aumento de temperatura, algumas ligações covalentes serão quebradas, fazendo a condutibilidade do material aumentar.

Dopagem

A dopagem é um processo químico, realizado em laboratório, que tem a finalidade de colocar no interior da estrutura cristalina um quantidade de impurezas para que o cristal se comporte conforme as condições desejadas.

Nos cristais semicondutores (germânio e silício) a dopagem é feita para atribuir ao material uma certa condutibilidade elétrica.

Material Semicondutor Tipo N

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina átomos pentavalentes (com 5 elétrons na última camada), uma nova estrutura é formada, chamada de material semicondutor tipo N.

Um exemplo de átomo pentavalente é o fósforo (P). Dos cinco elétrons da última camada do átomo de fósforo, apenas quatro encontrarão um par para a formação das ligações covalentes. O quinto elétron, não pertencendo a nenhuma ligação covalente, pode se libertar facilmente do núcleo, tornando-se um portador livre de cargas elétricas.

Mesmo após o processo de dopagem, a quantidade de prótons e elétrons permanece a mesma: portanto, o material é eletricamente neutro.

No material semicondutor tipo N os portadores de cargas elétricas são os elétrons livres. O cristal tipo N conduz corrente elétrica, independentemente da polaridade da bateria.

Material Semicondutor Tipo P

Caso a dopagem seja realizada com átomos trivalentes (com 3 elétrons na última camada), uma nova estrutura é formada, chamada de material semicondutor tipo P.

Um exemplo de átomo trivalente é o índio (In). Neste tipo de dopagem verifica-se a falta de um elétron para que os átomos tetravalentes se combinem. Essa falta de elétrons chama-se lacuna. Da mesma forma que no semicondutor tipo N, o número de prótons e elétrons permanece o mesmo; portanto, o semicondutor tipo P é também eletricamente neutro. Na figura abaixo temos um exemplo.

Lacuna semicondutor tipo p

A condução da corrente elétrica nos semicondutores tipo P se dá pela movimentação das lacunas; assim, os portadores de cargas elétricas no material semicondutor tipo P são as lacunas.

A condução da corrente elétrica no semicondutor tipo P não depende da polaridade da fonte.

Os materiais semicondutores tipo N e tipo P constituem a matéria-prima para a fabricação de componentes eletrônicos, tais como diodos, transistores e circuitos integrados.

Condutibilidade dos Materiais Semicondutores

Existem dois fatores que influenciam na condutibilidade dos materiais semicondutores: a temperatura e a intensidade da dopagem.

Temperatura

Quando a temperatura em um material semicondutor aumenta, a energia térmica faz com que algumas ligações covalentes se desfaçam, ocasionando o aparecimento de portadores livres de energia.

Com um maior número de portadores livres, existe a possibilidade de circulação de maiores correntes elétricas no cristal. Sendo assim, os materiais semicondutores apresentam uma característica chamada dependência térmica, que influencia diretamente no comportamento do componente eletrônico.

Intensidade da dopagem

A condução da corrente elétrica nos materiais semicondutores depende dos portadores livres de carga na estrutura cristalina. Portanto, a intensidade da dopagem influencia diretamente na condutibilidade do material.

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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica