Semicondutores: tipos, aplicações e exemplos - Ciência - 2023

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o semicondutores São elementos que desempenham seletivamente a função de condutores ou isolantes, dependendo das condições externas a que estão sujeitos, como temperatura, pressão, radiação e campos magnéticos ou elétricos.

Na tabela periódica estão presentes 14 elementos semicondutores, entre os quais silício, germânio, selênio, cádmio, alumínio, gálio, boro, índio e carbono. Semicondutores são sólidos cristalinos com condutividade elétrica média, portanto podem ser usados duplamente como condutor e isolante.

Se forem usados como condutores, sob certas condições permitem a circulação da corrente elétrica, mas apenas em uma direção. Além disso, eles não têm uma condutividade tão alta quanto os metais condutores.

Semicondutores são usados em aplicações eletrônicas, especialmente para a fabricação de componentes como transistores, diodos e circuitos integrados. Eles também são usados como acessórios ou complementos para sensores ópticos, como lasers de estado sólido e alguns dispositivos de energia para sistemas de transmissão de energia elétrica.

Actualmente, este tipo de elemento está a ser utilizado para desenvolvimentos tecnológicos nos domínios das telecomunicações, sistemas de controlo e processamento de sinais, tanto em aplicações domésticas como industriais.

Tipos

Existem diferentes tipos de materiais semicondutores, dependendo das impurezas que apresentam e da sua resposta física aos diferentes estímulos ambientais.

Semicondutores intrínsecos

Eles são aqueles elementos cuja estrutura molecular é composta por um único tipo de átomo. Entre esses tipos de semicondutores intrínsecos estão o sílico e o germânio.

A estrutura molecular dos semicondutores intrínsecos é tetraédrica; ou seja, ele tem ligações covalentes entre quatro átomos circundantes, conforme apresentado na imagem abaixo.

Cada átomo de um semicondutor intrínseco possui 4 elétrons de valência; ou seja, 4 elétrons orbitando na camada mais externa de cada átomo. Por sua vez, cada um desses elétrons forma ligações com elétrons adjacentes.

Dessa forma, cada átomo possui 8 elétrons em sua camada mais superficial, formando assim uma ligação sólida entre os elétrons e os átomos que compõem a rede cristalina.

Devido a esta configuração, os elétrons não se movem facilmente dentro da estrutura. Assim, sob condições padrão, semicondutores intrínsecos se comportam como um isolante.

No entanto, a condutividade do semicondutor intrínseco aumenta sempre que a temperatura aumenta, uma vez que alguns elétrons de valência absorvem energia térmica e se separam das ligações.

Esses elétrons tornam-se elétrons livres e, se adequadamente direcionados por uma diferença de potencial elétrico, podem contribuir para o fluxo de corrente dentro da rede cristalina.

Nesse caso, os elétrons livres saltam para a banda de condução e vão para o pólo positivo da fonte potencial (uma bateria, por exemplo).

O movimento dos elétrons de valência induz um vácuo na estrutura molecular, que se traduz em um efeito semelhante ao produzido por uma carga positiva no sistema, por isso são considerados portadores de carga positiva.

Então, ocorre um efeito inverso, uma vez que alguns elétrons podem cair da banda de condução para a camada de valência liberando energia no processo, o que é chamado de recombinação.

Semicondutores extrínsecos

Eles se conformam incluindo impurezas dentro dos condutores intrínsecos; isto é, incorporando elementos trivalentes ou pentavalentes.

Esse processo é conhecido como dopagem e tem como objetivo aumentar a condutividade dos materiais, melhorando suas propriedades físicas e elétricas.

Ao substituir um átomo semicondutor intrínseco por um átomo de outro componente, dois tipos de semicondutores extrínsecos podem ser obtidos, que são detalhados a seguir.

Semicondutor tipo P

Nesse caso, a impureza é um elemento semicondutor trivalente; isto é, com três (3) elétrons em sua camada de valência.

Os elementos intrusivos dentro da estrutura são chamados de elementos dopantes. Exemplos desses elementos para semicondutores do tipo P são boro (B), gálio (Ga) ou índio (In).

Na falta de um elétron de valência para formar as quatro ligações covalentes de um semicondutor intrínseco, o semicondutor do tipo P tem uma lacuna na ligação ausente.

O anterior faz a passagem de elétrons que não pertencem à rede cristalina por este orifício que carrega uma carga positiva.

Devido à carga positiva do gap de ligação, esses tipos de condutores são designados pela letra “P” e, conseqüentemente, são reconhecidos como aceitadores de elétrons.

O fluxo de elétrons através dos orifícios da ligação produz uma corrente elétrica que circula na direção oposta à corrente derivada dos elétrons livres.

Semicondutor tipo N

O elemento intrusivo na configuração é dado por elementos pentavalentes; ou seja, aqueles que têm cinco (5) elétrons na banda de valência.

Nesse caso, as impurezas que são incorporadas ao semicondutor intrínseco são elementos como fósforo (P), antimônio (Sb) ou arsênio (As).

Os dopantes têm um elétron de valência adicional que, não tendo nenhuma ligação covalente para se ligar, está automaticamente livre para se mover através da rede cristalina.

Aqui, a corrente elétrica circula pelo material graças ao excedente de elétrons livres fornecido pelo dopante. Conseqüentemente, os semicondutores do tipo N são considerados doadores de elétrons.

Caracteristicas

Os semicondutores são caracterizados por sua dupla funcionalidade, eficiência energética, diversidade de aplicações e baixo custo. As características salientes dos semicondutores são detalhadas abaixo.

- Sua resposta (condutiva ou isolante) pode variar dependendo da sensibilidade do elemento à iluminação, campos elétricos e campos magnéticos do ambiente.

- Se o semicondutor for submetido a uma temperatura baixa, os elétrons permanecerão unidos na banda de valência e, portanto, não surgirão elétrons livres para a circulação da corrente elétrica.

Por outro lado, se o semicondutor for exposto a altas temperaturas, a vibração térmica pode afetar a força das ligações covalentes dos átomos do elemento, deixando elétrons livres para a condução elétrica.

- A condutividade dos semicondutores varia dependendo da proporção de impurezas ou elementos de dopagem dentro de um semicondutor intrínseco.

Por exemplo, se 10 átomos de boro são incluídos em um milhão de átomos de silício, essa proporção aumenta a condutividade do composto mil vezes, em comparação com a condutividade do silício puro.

- A condutividade dos semicondutores varia em uma faixa entre 1 e 10^-6 S.cm^-1, dependendo do tipo de elemento químico utilizado.

- Semicondutores compostos ou extrínsecos podem ter propriedades ópticas e elétricas consideravelmente maiores do que as propriedades dos semicondutores intrínsecos.Um exemplo disso é o arseneto de gálio (GaAs), usado predominantemente em radiofrequência e outros usos de aplicações optoeletrônicas.

Formulários

Os semicondutores são amplamente utilizados como matéria-prima na montagem de elementos eletrônicos que fazem parte do nosso dia a dia, como os circuitos integrados.

Um dos principais elementos de um circuito integrado são os transistores. Esses dispositivos cumprem a função de fornecer um sinal de saída (oscilatório, amplificado ou retificado) de acordo com um determinado sinal de entrada.

Além disso, os semicondutores também são o principal material para diodos usados em circuitos eletrônicos para permitir que a corrente elétrica passe em apenas uma direção.

Para projeto de diodo, junções semicondutoras extrínsecas do tipo P e tipo N. são formadas.Pela alternância doador de elétrons e elementos portadores, um mecanismo de equilíbrio é ativado entre as duas zonas.

Assim, os elétrons e lacunas em ambas as zonas se cruzam e se complementam quando necessário. Isso ocorre de duas maneiras:

- Ocorre a transferência de elétrons da zona tipo N para a zona P. A zona tipo N obtém uma zona de carga predominantemente positiva.

- Há uma passagem de buracos portadores de elétrons da zona do tipo P para a zona do tipo N. A zona do tipo P adquire uma carga predominantemente negativa.

Finalmente, forma-se um campo elétrico que induz a circulação da corrente em apenas uma direção; ou seja, da zona N para a zona P.

Além disso, o uso de combinações de semicondutores intrínsecos e extrínsecos pode produzir dispositivos que realizam funções semelhantes a um tubo de vácuo que contém centenas de vezes seu volume.

Esse tipo de aplicação se aplica a circuitos integrados, como chips de microprocessador, que cobrem uma quantidade considerável de energia elétrica.

Os semicondutores estão presentes em aparelhos eletrônicos que usamos no dia a dia, como equipamentos de linha marrom como televisores, videocassetes, aparelhos de som; computadores e telefones celulares.

Exemplos

O semicondutor mais usado na indústria eletrônica é o silício (Si). Esse material está presente nos dispositivos que compõem os circuitos integrados que fazem parte do nosso dia a dia.

Ligas de silício-germânio (SiGe) são utilizadas em circuitos integrados de alta velocidade para radares e amplificadores de instrumentos elétricos, como guitarras elétricas.

Outro exemplo de semicondutor é o arsenieto de gálio (GaAs), amplamente utilizado em amplificadores de sinal, especificamente para sinais com alto ganho e baixo nível de ruído.

Referências

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Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londres, Reino Unido. Recuperado de: britannica.com
Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Semicondutor. Recuperado de: es.wikipedia.org