Materiais Elétricos Semicondutores
Este tutorial apresenta um estudo sobre os materiais elétricos semicondutores, focando na sua fabricação nas
suas aplicações em nosso cotidiano.
Sérgio Gonçalves da Silva
Engenheiro de Telecomunicações pela Fundação Assis Gurgacz (FAG - 2005), bacharel em Ciências com
habilitação em Matemática pela Universidade Estadual do Oeste (1991) e pós-graduado em Engenharia de
Telecomunicações pela Universidade Norte do Paraná (1998).
Atua na Brasil Telecom desde 10/1979, sendo Coordenador da área de planejamento e projeto de redes
convencionais e ópticas, com responsabilidade pela análise de indicadores operacionais, acompanhamento
de obras, fiscalização de instalações e serviços de telecomunicações. Atua também como instrutor de cursos
de formação em Projetos e Planejamento de Redes Convencionais.
Atualmente exerce atividades na área de Comunicação de Dados e ADSL, acompanhando os circuitos
críticos e os indicadores operacionais, e apresentando sugestões para melhorias nos serviços e equipamentos
ADSL empregados.
Foi também selecionado para a fase classificatória do I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de
Curso (TCC) 2005.
Email: [email protected]
Categoria: Sistemas de Transmissão
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 15 minutos
Publicado em: 03/07/2005
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Semicondutores: Introdução
Os diversos materiais empregados nas telecomunicações e na eletrônica, podem ser divididos, quanto à
característica de transporte de cargas elétricas, em condutores e isolantes. Esta divisão é algo simplista, já
que os transistores e circuitos integrados que compõe os diversos equipamentos da indústria eletrônica são
feitos de um material denominado semicondutor.
Para entender-se a diferença entre os materiais, nesta classificação necessita de uma analise na estrutura da
matéria. Constata-se que os materiais denominados "metais" apresentam elétrons em órbitas mais externas
do átomo que são arrancados de suas órbitas com relativa facilidade.
Experimente unir os pólos de uma bateria de 1,5 volts com um fio telefônico e o resultado muito rápido é a
total descarga da bateria. Adicionalmente, o aumento da temperatura do fio é reveladora que alguma coisa,
ou muita coisa, passou por ali. São os elétrons.
A bateria possui em um dos seus pólos, elétrons em excesso em relação ao outro pólo. Ao interligar-se os
pólos por intermédio do fio, os elétrons da bateria foram "empurrando" os elétrons do cobre do fio metálico,
que aceitam facilmente serem empurrados.
Estatisticamente é pouco provável que um elétron de um pólo da bateria chegue ao pólo oposto. São os
elétrons do metal que trafegam, que são arrancados de suas órbitas. Como o efeito aparente é que os elétrons
da bateria foram facilmente "conduzidos" de um pólo ao outro, diz-se então que o cobre é um "bom
condutor".
Um material isolante oferece uma restrição severa à passagem de corrente elétrica. Olhe para fora de sua
casa, para o poste da concessionária de distribuição de energia elétrica. É muito provável que no poste exista
uma ou mais hastes de vidro ou porcelana, para "isolar" a corrente e evitar curto circuitos na linha.
E quem isola bem o que é? Exato, um bom isolante. E como você já percebeu, vidro e porcelana são
excelentes isolantes.
Essa característica depende da temperatura e da freqüência, ou seja um fio pode ser um bom condutor em
uma freqüência e um mal condutor em uma freqüência mais alta.
Se a linha divisória entre condutores e isolantes já é complicada, imagine que nessa área ainda existem os
semicondutores. Os materiais semicondutores não são encontrados normalmente na natureza, são criados
colocando-se, ou "dopando-se", materiais isolantes, como por exemplo o silício, com átomos de outros
materiais, como por exemplo o boro, cuja; ultima órbita contém elétrons a mais ou a menos do que a última
órbita dos átomos de silício.
O tutorial é um estudo superficial destes materiais, tais como são fabricados e suas aplicações em nosso
cotidiano.
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Semicondutores: Classificação dos Materiais
Os diversos elementos e substâncias conhecidas podem ser classificados de várias formas diferentes. Uma
classificação importante em termos de propriedades elétricas é a de metais, isolantes e semicondutores . Esta
classificação tem grande importância na engenharia e na física de dispositivos.
Metais e isolantes
Os metais, como se sabe, são bons condutores de eletricidade enquanto os isolantes não a conduzem. Os
semicondutores, por outro lado, possuem comportamento intermediário, conduzindo ou não a corrente
elétrica em função das condições de operação. Além desta classificação, há também uma outra que diz
respeito ao modo como os átomos ou moléculas estão arranjados ou distribuídos no material.
Cristais
Materiais nos quais os átomos ou moléculas se distribuem de forma organizada e regular por todo o material,
são classificados como materiais cristalinos ou simplesmente cristais, ou ainda sólidos. Esta última
designação não se refere ao estado físico do material (vapor, líquido ou sólido), mas sim ao fato de que sua
estrutura atômica se acha na forma de um sólido geométrico, tal qual um cubo por exemplo.
Esta organização interna dos átomos em um cristal é responsável por uma série de propriedades importantes
em aplicações industriais. Os materiais sem organização atômica interna definida, são chamados amorfos.
Exemplos de materiais amorfos muito utilizados são os vidros e plásticos em geral.
Semicondutores
Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação, também
são materiais cristalinos ou sólidos. Estas duas características combinadas conferem a estes materiais uma
grande importância tecnológica.
Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica, estando presentes em
praticamente todos os aparelhos eletro-eletrônicos que conhecemos, desde um simples rádio a pilha até os
mais sofisticados computadores.
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Os Semicondutores
É fácil definir o termo semicondutor se este se caracterizasse apenas por uma semicondutancia intermediaria
entre os condutores e os isolantes, na realidade, o valor numérico da condutividade é uma característica
definida e intermediaria entre condutores e isolantes, mas de modo algum define o comportamento funcional
dos materiais e ligas pertencentes a este grupo.
Pode-se considerar o valor numérico da resistividade do semicondutor como um critério falho, alem de
insuficiente, pois podemos obter misturas de materiais que atendem a esse valor numérico, mas não tem
comportamento semicondutor.
Seguindo uma seqüência normal de determinação de características, vamos verificar a correlação entre a
condutividade e a variação de temperatura; sob esse aspecto, o semicondutor apresenta, em geral,
coeficiente de temperatura negativo dentro de uma determinada faixa de valores.
Ao contrario do que ocorre nos metais, nos semicondutores, o numero de elétrons em deslocamento não é
constante, variando esse valor com a temperatura, em razão exponencial.
A condutividade elétrica de um semicondutor é sensivelmente influenciada também por eventuais
perturbações da estrutura cristalina, o que, por sua vez, tem fundamental importância nos próprios processos
de fabricação dos semicondutores. Tais perturbações podem ser provocadas tanto por irregularidades na
estrutura cristalina, quanto e sobretudo, pela presença proposital ou acidental de impurezas.
Esse grau de pureza deve atingir a níveis superiores a 10 -4 impurezas por átomo de metal de base, o que
bem demonstra a elevada tecnologia necessária na fabricação destes componentes.
Mais dois efeitos devem ser lembrados, que também tem influencia bem maior nos semicondutores do que
em outros grupos de materiais, quais sejam o efeito termoelétrico e o efeito Hall.
Efeito Hall
O efeito Hall consiste no fenômeno segundo o qual, perante a presença de um campo magnético dirigido
perpendicularmente a um condutor, pelo qual circula corrente, aparece uma diferença de potencial nas faces
opostas a circulação de corrente.
Para dada orientação de corrente e campo magnético, o sentido da força eletromotriz que assim aparece "a
tensão de Hall", vai depender da polaridade das cargas presentes; esse comentário quanto à orientação, é
valido também para efeito termoelétrico.
Devido a grande importância que representam nesses materiais a pureza e estrutura, convém fazer uma
analise geral do relacionamento teórico existente entre diversos fatos. O conhecimento de alguns aspectos e
de conceitos físicos ajudara também ao entendimento de certos aspectos químicos, efetuando-se pontos de
ligação entre a condutividade elétrica e a ligação química dos elementos.
Vejamos inicialmente os elétrons de valência - tomando como exemplo o germânio, em numero de quatro
que, por sua vez, em pares, se combinam, um a um, com elétrons de valência de outros quatro átomos de
germânio. Se, a esse corpo de germânio puro, acrescentarmos átomos de valencia III, ou seja, que tem três
elétrons de valencia, como o caso do boro, alumínio, gálio e o índio, um dos elétrons de germânio ficará sem
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ligação dupla.
Essa lacuna, que assim se apresenta, poderá ser preenchida por elétrons de um átomo vizinho, abrindo-se
conseqüentemente uma lacuna neste átomo, e assim, subseqüentemente. Tais deslocamentos dão origem a
um movimento de lacunas, permanecendo uma falta de elétrons e conseqüentemente, uma falta de cargas
negativas, e o corpo é chamado de eletropositivo, ou material tipo P.
Se ao contrario, acrescentarmos ao cristal, alguns átomos de valencia V, apenas quatro desses cinco elétrons
da valencia se associarão ao material de valencia IV, havendo conseqüentemente, sobra de um elétron por
átomo acrescentado. Esse excesso de cargas negativas, classifica o corpo como eletronegativo, representado
por N.
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Semicondutores: Dopagem e Purificação
Técnicas de Dopagem
A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme discriminamos a seguir:
Durante o crescimento do cristal: o material de base sofre um aquecimento até se transformar em
massa cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de dopagem, durante esse
processo térmico, o nosso cristal vai "crescendo" posicionando-se os átomos da dopagem na própria
cadeia cristalina que se forma.
Por liga: o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de acréscimo, formando-se assim
uma liga. Apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão agregados entre si.
Por implantação iônica: átomos eletricamente carregados (com íons) de material dopante em estado
gasoso são acelerados por um campo elétrico e injetados na cadeia cristalina do semicondutor. O
método da implantação iônica é o mais preciso e o mais sofisticado entre os mencionados, permitindo
um ótimo controle tanto de posicionamento quanto de concentração da dopagem feita.
Por difusão: nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são elevados a temperaturas da
ordem de 1000 ° C e, nessas condições, colocados na presença de metais em estado gasoso (por
exemplo, boro). Os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal sólido. Sendo o material
sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona P.
Métodos de Purificação
Vejamos os três processos de purificação utilizados:
Destilação e Sublimação: a acentuada influencia das impurezas sobre as características elétricas do
semicondutor, leva em muitos casos a exigência de se repetir o processo de purificação sobre a matéria
prima fornecida pela industria química, antes de manufatura-la.
Um primeiro passo são os processos de destilação e sublimação, com o objetivo de elevar o mais possível à
ação destes processos, devem ser analisados os diagramas de ebulição.
A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação as modificações do estado físico eliminam o
estado liquido, o que traz dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, precipitando-se
freqüentemente muito próximos entre si os elementos, facilmente e dificilmente sublimáveis.
A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios necessários a sua obtenção.
Eletrolise: a purificação eletrolítica das matérias primas básicas pode levar a graus de pureza bastante
elevados, se esta for realizada com cuidados especiais e eventualmente repetida dado numero de vezes.
Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros metais menos nobres e de partículas insolúveis
no eletrólito, a eficiência da separação ou eliminação simultânea de diversos metais, depende da relação dos
potenciais destes metais em relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da grandeza da corrente.
Método da Cristalização Dirigida: os cristais que compõem a matéria prima básica dos materiais
semicondutores são obtidos pelo método da fusão, após o que o material se apresenta na forma normal de
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um bastão sólido.
Se o cadinho com o material em fusão é lentamente tirado do forno, o bastão se forma, com perda gradativa
de temperatura; ao se analisar este bastão, observa-se que à parte que por mais tempo ficou liquida,
portanto, a ultima que saiu do forno, é a que apresenta uma maior concentração de impurezas, e, por isso, é
geralmente cortada.
Fusão Zonal: o necessário e elevado grau de purificação faz com que, para os semicondutores, os métodos
anteriores, via de regra, não tragam o resultado final desejado.
O presente processo da fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois elementos em condição de
equilíbrio entre a fase sólida e liquida, a composição de ambas a fase é geralmente diferente e que, no limite
do diagrama de estado, as curvas liquida e sólida encontram-se segundo um ângulo definido, isto significa
que mesmo no caso de uma concentração mínima de um elemento no outro, apresenta-se uma diferença de
concentrações na passagem do estado liquido para o sólido.
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Semicondutores: Elementos e Aplicações
Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem
uma fácil e precisa verificação dessa propriedade; em algum desses elementos a semicondutancia ainda não
pode ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta estável a temperatura
ambiente.
Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos
materiais semicondutores é encontrada nos materiais de valencia IV, o primeiro elemento é:
Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é antes utilizado como
condutor em alguns casos, em outros casos, como material resistivo ou como componente capaz de
suportar determinadas condições térmicas ou químicas.
Germânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em pequenas quantidades
em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração do germânio
é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer
tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima película de oxido, é
usado para a fabricação de componentes semicondutores.
Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas
ambientes de até 150 ° C, permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que
eleva o rendimento e simplifica os métodos de refrigeração.
O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é
encontrado nas rochas e em minérios.
Aplicações dos Materiais Semicondutores
O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são
hoje utilizados em todo tipo de circuitos.
Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis,
conforme discriminamos abaixo:
Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de
corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta)
Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou
vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e coletor. O transistor funciona
basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um
interruptor de corrente se esta for próxima de zero.
Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e
fototransistores; e Células fotovoltaicas.
As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material
semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações
covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da
condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade.
Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma tensão elétrica quando
submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa.
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Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da
eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano
com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos
eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos.
Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou
chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter
milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc.
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Semicondutores: Conclusões
Podemos através deste trabalho identificar as principais propriedades dos elementos semicondutores, bem
como, as técnicas de dopagem para poder utilizar os materiais, os métodos de purificação e as suas principais
aplicações dentro das atividades que iremos exercer após a conclusão do curso.
Identificamos que estes elementos são de suma importância para a eletrônica digital bem como para a
eletrotécnica, onde utilizamos em retificadores de corrente, reguladores de tensões e muitas outras
aplicações.
Bibliografia
VAN VLACK, Laurence H. - Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Editora Campos Ltda., 4ª
Edição, Rio de Janeiro; 1984.
Schmidt, Walfredo - Materiais Elétricos, Editora Edgard Blucher Ltda, 2ª Edição, São Paulo, 1979
RUSSELL, John B., Química Geral, Editora MAKRON Books, 2ª Edição, São Paulo,1994.
www.las.inpe/~cesar/conceitos/materiais.htm
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Semicondutores: Teste seu Entendimento
1. Semicondutores são materiais:
bons condutores de eletricidade
que não conduzem a eletricidade
criados "dopando-se" materiais isolantes
2. São técnicas de dopagem de semicondutores:
implantação iônica e difusão
Destilação e Sublimação
Eletrolise e Cristalização Dirigida
3. Assinale a alternativa falsa.
Cristais são materiais nos quais os átomos ou moléculas se distribuem de forma organizada e regular
por todo o material.
Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação,
também são materiais cristalinos ou sólidos.
O efeito Hall consiste no fenômeno segundo o qual, perante a presença de um campo magnético
dirigido perpendicularmente a um condutor, pelo qual circula corrente, aparece uma diferença de
potencial nas faces opostas a circulação de corrente.
Cobre é um exemplo de material semicondutor.
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