Semicondutores
A9 – Texto 1
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Coluna: B. Piropo – Adaptação da coluna publicada em 20/10/2008
http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=246199
Autor: B.Piropo
Mas o que é um semicondutor? Afinal, se um SDD é, por definição, um dispositivo baseado em
semicondutores, não se pode falar deles sem explicar o que é e como funciona um material
semicondutor.
Um material semicondutor é um material sólido cuja condutividade elétrica se situa entre a de
um material condutor, como um metal, e a de um material isolante, como a borracha. E que,
mediante a adição de impurezas convenientemente escolhidas, pode fazer sua condutividade
variar em uma faixa ampla entre estes dois limites. Os exemplos mais comuns de materiais
semicondutores são o silício e o germânio, ambos elementos de valência quatro (ou seja, que
mantém quatro elétrons orbitando em sua camada externa). O mais usado industrialmente é o
silício em virtude de ser um material abundante na natureza (veja mais detalhes em <
http://www.amperesautomation.hpg.ig.com.br/semi.html > “INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS
MATERIAIS SEMICONDUTORES”).
Materiais semicondutores podem se apresentar sob a forma de uma estrutura cristalina.
Quando assim se apresentam, os núcleos de seus átomos se distribuem regularmente no
interior do cristal como mostrado na ilustração da esquerda da Figura 1, cada átomo se ligando
a quatro outros átomos.
Figura 1: estrutura cristalina de materiais semicondutores
Cada núcleo de átomo de silício tem quatro elétrons em sua órbita externa e o número de
elétrons na órbita externa necessário para tornar um átomo eletricamente estável é oito. Na
estrutura cristalina do silício, mostrada na ilustração da esquerda da Figura 1, cada átomo
compartilha um dos elétrons de um de seus vizinhos e, por sua vez, compartilha um de seus
próprios elétrons com cada um deles (as ligações mostradas entre núcleos, portanto, são
constituídas de dois elétrons, um de cada núcleo). Assim, todos os núcleos permanecem
eletricamente estáveis (porque apresentam oito elétrons na camada mais externa). Este tipo
de ligação atômica se denomina “covalência”.
Pela criteriosa adição de impurezas pode-se produzir dois tipos de material semicondutor, o
tipo P (de positivo) e o tipo N (de negativo).
Produz-se um semicondutor tipo N adicionando ao cristal de silício (ou germânio) certa
quantidade de impurezas de material de valência cinco (como os elementos fósforo, arsênico
ou antimônio, que têm cinco elétrons orbitando na camada externa do átomo) que se integra
à malha do cristal. Como bastam quatro elétrons por núcleo para equilibrar eletricamente a
estrutura cristalina (cada átomo do cristal se liga a quatro outros, e assim sucessivamente) o
quinto elétron de cada átomo de impureza fica praticamente “solto” na malha do cristal, ou
seja, não está fortemente ligado a qualquer dos átomos do cristal. Veja, na ilustração central
da Figura 1, o que ocorre quando um átomo de fósforo, pentavalente, se integra à estrutura
cristalina do silício. Como bastam quatro dos cinco elétrons da camada externa do fósforo
para equilibrar eletricamente a estrutura cristalina, o quinto elétron “sobra” e permanece livre
na malha cristalina. Como são muitos os átomos de fósforo adicionados, o resultado é um
cristal onde há grande quantidade de elétrons livres, que podem se movimentar facilmente no
interior do cristal. O material assim formado também é conhecido por “doador” (donor) de
elétrons, já que elétrons podem ser “arrancados” dele quase sem esforço (veja o tópico <
http://en.wikipedia.org/wiki/N-type_semiconductor > “N-type semiconductor” da Wikipedia)
Já os materiais tipo P são produzidos adicionando-se como impureza átomos de elementos
trivalentes (como alumínio e boro, que têm apenas três elétrons na órbita externa de seus
átomos). Quando estes átomos se integram à malha do cristal, as ligações atômicas ficam
irregulares, ou seja, para cada átomo de impureza adicionado fica “faltando” um elétron para
equilibrar as quatro ligações entre os quatro átomos vizinhos. Veja o resultado na ilustração da
direita da Figura 1. É como se, em algumas das ligações elétricas entre os átomos que formam
o cristal, houvesse uma “lacuna” (hole) onde deveria haver um elétron. O material assim
formado também é conhecido por “receptor” ou “aceitador” (acceptor) de elétrons já que,
buscando o equilíbrio, tem grande tendência de receber elétrons do exterior do cristal para
preencher as lacunas (veja o tópico < http://en.wikipedia.org/wiki/P-type_semiconductor > “Ptype semiconductor” da Wikipedia).
Um exemplo clássico do uso de ambos os materiais em um dispositivo eletrônico é o diodo
retificador de corrente, formado por uma única junção P-N, ou seja, pela justaposição de duas
regiões, uma constituída por material semicondutor tipo P, outra por tipo N. A superfície onde
os materiais se tocam chama-se “junção”. Veja um diodo na Figura 2.
Figura 2: diodo de junção P-N
O que acontece quando ligamos um destes dispositivos aos terminais de uma bateria? Bem,
depende de que terminal do diodo é ligado a que terminal da bateria. Veja a Figura 3.
Figura 3: Polarização de diodos
Na ilustração superior da figura 3 ligamos o terminal positivo da bateria ao catodo, ou seja, ao
trecho constituído do material tipo P, e o terminal negativo ao anodo, ou trecho constituído do
material tipo N. Isto se chama “polarização direta”. As cargas positivas oriundas do terminal
positivo da bateria repelem as lacunas (também positivas) do material tipo P, “empurrandoas” para as proximidades da junção do diodo. Por outro lado, os elétrons frouxamente ligados
aos átomos do material tipo N também são, por sua vez, repelidos para perto desta mesma
junção pelas cargas negativas do terminal negativo da bateria. O resultado disso é que, nas
vizinhanças da junção, acumulam-se de um lado “lacunas”, ou cargas positivas (no lado direito
da figura) e, do outro, elétrons, ou cargas negativas. Como estas cargas se atraem fortemente,
é fácil para elas romper a frágil resistência da junção e saltar de um lado para outro,
estabelecendo uma corrente elétrica. Neste caso o diodo se comporta como um condutor.
Já a ilustração inferior da figura exibe uma ligação em polarização reversa. Um raciocínio
semelhante ao desenvolvido no parágrafo anterior mostra que a região da junção fica “vazia”,
ou seja, nem há cargas negativas de um lado nem positivas do outro (pois ambas são atraídas
pelos terminais da bateria para longe da junção). Neste caso não há corrente, já que o diodo
oferece uma elevada resistência ao fluxo de elétrons, se comportando como um isolante.
Esta propriedade, ou seja, o fato de o diodo conduzir corrente elétrica apenas em um sentido,
funcionando como material isolante para correntes que tendem a fluir no sentido oposto, é
muito usada para “retificar” corrente alternada. Isto porque ao se conectar anodo e catodo a
um circuito onde flui corrente alternada, somente “passam” pelo diodo os pulsos
correspondentes à polarização direta. Os correspondentes à polarização inversa ficam retidos
pela elevada resistência que o diodo oferece a eles.
Pronto. Agora que já sabemos o que é o material semicondutor e já vimos uma de suas
utilizações práticas, podemos discutir os transistores, a base das células de memória flash (e
dos CIs, microprocessadores, memórias estáticas e praticamente tudo o mais que tem a ver
com a informática).
Na próxima coluna, naturalmente.
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