Olá a todos. Hoje falarei um pouco sobre semicondutores, que estão, sem dúvida, no coração da eletrônica moderna. Sem eles, muitas de nossas tecnologias não poderiam existir. Foram eles os responsáveis por alavancar o crescimento da indústria nessa área. Mas o que eles são? O que fazem? Como funcionam? Essas perguntas serão respondidas agora nesse post.
Na natureza encontramos diversos tipos de materiais. Alguns deles são condutores elétricos, como o cobre, a prata e o ouro. Outros materiais, como a madeira, são isolantes elétricos, impedindo a passagem de corrente por eles. Porém uma classificação de condutores/isolantes seria insuficiente para classificar todos os materiais, pois alguns deles são o que chamamos de semicondutores. Isso por que eles, de certa forma, são condutores e também isolantes, dependendo da forma como o manipulamos.
Mas o que torna um material um condutor? Vamos lembrar as aulas de química e pegar o caso do cobre, que é talvez o condutor mais conhecido. Ele possui, quando eletricamente neutro, 29 elétrons ao redor de seu núcleo. Esses elétrons se distribuem em camadas, sendo a última chamada camada de valência. Nesta última camada, o cobre possui apenas um elétron. Esta camada é a que está mais distante do núcleo atômico e, por isso, o elétron dessa camada é fracamente atraído pelo átomo. Como esta camada está incompleta, o átomo de cobre quer "se livrar" desse elétron, para ficar com esta última camada vazia. Dessa forma a camada de valência se tornará a camada anterior que está mais completa e, por isso, mais estável. Por isso esse elétron é facilmente arrancado do átomo, e se torna um elétron livre, que é o portador de carga da corrente elétrica.
Em um isolante a situação é diferente. Um gás nobre, por exemplo, possui sua última camada (de valência) completa. Por isso esse átomo não irá doar nem aceitar elétrons facilmente. Graças a isso ele é um ótimo isolante elétrico. É bom lembrar que em geral um átomo com camada de valência completa é aquele que possui oito elétrons na mesma. Quando a camada está estável, o átomo atrai os elétrons com bastante intensidade, impedindo sua remoção do átomo.
Mas existe um material chamado silício, que possui quatro elétrons na camada de valência. Ele é extraído da areia e consegue formar uma estrutura cristalina tetraédrica, pois se liga a outros átomos de silício através de uma ligação covalente, aquela onde se compartilha elétrons. Dessa forma, cada átomo de silício da estrutura se liga a outros quatro átomos, onde cada um compartilha um elétron. Quando puro, a estrutura é um isolante elétrico por não haver elétrons "sobrando" nem "faltando" nas ligações do cristal. Mas podemos adicionar outros elementos a ela para alterar suas propriedades elétricas. Esses elementos adicionados são chamados de impurezas e o processo de adição deles é conhecido por dopagem. A imagem abaixo representa a estrutura do cristal de silício em duas dimensões.
Existem dois tipos de dopagem. Uma cria cristais de silício tipo N e outra cria cristais de silício tipo P. No cristal tipo N são adicionadas impurezas conhecidas como doadoras. Isso porque os elementos usados na dopagem possuem cinco elétrons na camada de valência. Esses elementos são chamados de pentavalentes. Dessa forma, quando ele se liga a estrutura cristalina de silício, ele compartilha quatro desses elétrons com a estrutura e um fica "sobrando". Esse elétron se torna um elétron livre, que é um portador de carga. Os tipos de impurezas usadas na criação de cristais tipo N são, comumente, o Fósforo (P), Antimônio (Sb), Arsênico (As) e o Bismuto (Bi). É interessante falar que a proporção de átomos de impureza é de, normalmente, 1 parte em 10 milhões. Também vale ressaltar que adicionar essas impurezas não torna o cristal carregado eletricamente, pois a quantidade de cargas negativas (elétrons) continua igual a das cargas positivas (prótons). O que ocorre é que existem elétrons que não fazem parte da ligação covalente e, por isso, possuem maior liberdade para se movimentar.
Por outro lado, existe a dopagem que cria cristais tipo P. Nesse caso os elementos de impureza possuem apenas 3 elétrons na camada de valência. São comumente usados como impurezas o Boro (B), Alumínio (Al), Gálio (Ga), Índio (In) e Tálio (Tl). Como na ligação covalente da estrutura se ligam 4 elétrons, acaba ficando um "buraco", que é comumente denominado lacuna. Um ponto interessante de ser observado é que essa ausência de carga negativa se comporta como fosse uma carga positiva, sendo inclusive um portador de carga, conduzindo corrente elétrica. A essas impurezas trivalentes se dá o nome de impurezas aceitadoras, pois elas são passíveis de aceitar um elétron, devido a presença da lacuna.
Tanto um cristal "P" quanto um cristal "N" se comportam como condutores, pois ambos possuem portadores de carga livre. No caso do cristal tipo "N" os portadores são os elétrons, enquanto no cristal tipo "P" é a ausência de elétrons, ou seja, as lacunas. Um cristal de silício puro é chamado semicondutor intrínseco, enquanto o cristal já dopado é conhecido por semicondutor extrínseco. Outros materiais semicondutores, além do silício, são o germânio e o carbono. Todos os citados possuem a característica semicondutora, que são os 4 elétrons na camada de valência.
Porém isso é somente o começo da nossa jornada no estudo dos semicondutores. Ainda temos que estudar o que ocorre quando juntamos um cristal tipo P com outro tipo N, obtendo a configuração básica de um diodo. Porém deixaremos isso para outra ocasião. Até lá continuem estudando muito, que eu farei o mesmo. Abraço e até a próxima!
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