Exemplo de materiais semicondutores

De acordo com sua capacidade de conduzir corrente elétrica, os materiais são divididos em três categorias: condutores, isolantes e semicondutores. O exemplo mais proeminente de condutores são metais, como cobre Cu, alumínio Al e prata Ag; e dos isoladores os polímeros e o vidro. A terceira classe será discutida a seguir: semicondutores.

As propriedades elétricas dos semicondutores estão entre as dos isolantes e condutores.Silicon Si e Germanium Ge são exemplos bem conhecidos de semicondutores que são freqüentemente usados ​​na fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos.. As propriedades elétricas dos semicondutores podem ser alteradas em várias ordens de magnitude, adicionando quantidades controladas de átomos estranhos aos materiais.

Os semicondutores se comportam como isolantes em baixas temperaturas, mas se isso for aumentado, eles se comportam como condutores. Essa dualidade de condutividade se deve ao fato de os elétrons de valência do material estarem ligeiramente ligados aos seus respectivos núcleos. atômica, mas não o suficiente, de modo que o aumento da temperatura permita que eles deixem o átomo circular pela rede atômica do material. Assim que um elétron deixa um átomo, ele deixa um buraco em seu lugar que pode ser preenchido por outro elétron que estava circulando na rede.

É o caso dos elementos químicos mencionados anteriormente, Silicon Si e Germanium Ge, que possuem quatro elétrons de valência em seu último nível. Ressalta-se que, para agregar energia ao material semicondutor, além da transferência de calor, pode-se aplicar luz.

Para melhor compreender o comportamento dos materiais semicondutores, será utilizada a Teoria das Bandas.

Teoria da Banda

 O conceito de Banda de Valência, que é a energia acumulada possuída pelos elétrons de valência.

Além disso, esta teoria lida com a definição de Faixa de condução, como a energia que os elétrons têm para retirar de seus átomos. Os elétrons encontrados na banda de condução podem circular pelo material se houver uma tensão elétrica que os conduza entre dois pontos.

Com base nas duas Bandas, serão estudados os casos de Condutor, Isolador e Semicondutor, para se ter uma perspectiva para este último.

Para um Maestro, a Energia da Banda de Valência é maior do que a dos elétrons da Banda de Condução. De forma que as bandas se sobreponham e muitos elétrons Valência sejam colocados na Condução com muita facilidade, e portanto, com a opção de circular no meio.

Para um isolador, por outro lado, a energia da faixa de condução é muito maior do que a energia da faixa de Valência. Aqui existe uma lacuna entre a Banda de Valência e a Banda de Condução, de modo que os elétrons de Valência não podem acessar a Banda de Condução, que estará vazia. É por isso que o isolador não conduz. Somente em altas temperaturas esses materiais podem ser condutores.

No caso dos semicondutores, a banda de condução ainda é maior do que a banda de Valência, mas a diferença entre as duas é consideravelmente menor, assim, com um aumento energético, os elétrons de Valência saltam para a banda de condução e podem circular pelo meio. Quando um elétron salta da Banda de Valência para a Banda de Condução, ele deixa um ovo na Banda de Valência, que também é considerada um portador de corrente elétrica.

Em semicondutores, dois tipos de portadores de corrente elétrica são distinguidos: elétrons carregados negativamente e lacunas, carregados positivamente.

Tipos de semicondutores 

Existem duas classes de semicondutores de acordo com sua pureza. Os materiais semicondutores em seu estado puro são conhecidos como semicondutores intrínsecos; e há os semicondutores extrínsecos, que são puros, mas contaminados com impurezas em proporções diminutas, como uma partícula em cada milhão.

Esse processo de contaminação é denominado doping, que por sua vez se manifesta em dois tipos.

O primeiro tipo de doping é o tipo N, em que o material está contaminado com valência 5 átomos, como Fósforo P, Arsênio As ou Antimônio Sb. Ao envolver o quinto elétron de valência na estrutura de átomos tetravalentes, é forçado a vagar pelo material semicondutor, sem encontrar um local estável onde Ser colocado. O conjunto desses elétrons errantes é chamado de elétrons majoritários.

O segundo tipo de doping é o tipo P, em que o material semicondutor está contaminado com átomos de valência 3, como Boron B, Gallium Ga ou Indium In. Se este átomo for introduzido no material, um buraco permanece onde um elétron deve ir. O orifício se move com facilidade pela estrutura do material, como se fosse um portador de carga positiva. Nesse caso, os buracos são portadores majoritários.

Aplicação de semicondutor: Diodo

O diodo é um componente eletrônico que consiste na união de dois cristais semicondutores extrínsecos, um do tipo N e outro do tipo P. Quando unidos, parte dos elétrons do tipo N excedentes passam para o cristal do tipo P e parte dos buracos do tipo P passam para o cristal do tipo N. Uma faixa chamada Zona de Transição é criada na junção, que tem um campo elétrico que se comporta como um barreira que se opõe à passagem de mais elétrons da Zona N para a Zona P e de buracos da Zona P para a Zona N.

Quando um diodo é conectado a uma bateria, ocorrem dois casos diferentes: Polarização direta e polarização reversa.

Na polarização direta, o pólo positivo é conectado ao cristal P e o pólo negativo ao cristal N. Isso torna a zona de transição muito mais estreita, rompendo a barreira e permitindo a passagem livre da corrente. Nesta condição, o Diodo é Condutivo.

Na polarização reversa, o pólo positivo se conecta ao cristal N e o pólo negativo ao cristal P. Isso torna a zona de transição muito mais ampla, reforçando a barreira que impede a passagem de corrente. Neste caso, o diodo é isolante.

As aplicações do Diodo são múltiplas. Porém, o aplicativo mais popular é aquele que o utiliza como retificador. Um retificador é um sistema capaz de converter um sinal alternado senoidal de entrada em outro de mesmo sentido, para posteriormente converter a corrente alternada em corrente contínua. Antes de retificar a corrente, é utilizado um transformador que reduz o valor da tensão.

Exemplos de materiais semicondutores

Pelo grupo em que estão presentes na Tabela Periódica, estes são alguns exemplos de elementos semicondutores:

Grupo IIIA: Boro B, Alumínio Al, Gálio Ga, Índio In.

IVA do Grupo: Silício Si, Germânio Ge.

Grupo VA: Fósforo P, Arsênio As, Antimônio Sb.

Grupo VIA: Enxofre S, Selênio Se, Telúrio Te.