Semicondutores: Tipos, Aplicações e Exemplos

Os semicondutores são elementos que desempenham a função de selectivamente condutora ou isolante, dependendo das condições externas a que são submetidos, tais como temperatura, pressão, radiações e campos eléctricos ou magnéticos.

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

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Se usado como condutor, sob certas condições as condições permitem a circulação de corrente elétrica, mas apenas em uma direção. Além disso, eles não têm uma condutividade tão alta quanto a dos metais condutores.

Os semicondutores são usados ​​em aplicações eletrônicas, especialmente para a fabricação de componentes como transistores, diodos e circuitos integrados. Eles são também utilizados como acessórios ou sensores ópticos, tais como lasers de estado sólido, e alguns dispositivos de alimentação de energia de sistemas de transmissão.

Atualmente, esse tipo de elemento está sendo usado para desenvolvimentos tecnológicos nas áreas de telecomunicações, sistemas de controle e processamento de sinais, tanto em aplicações domésticas quanto industriais.

Tipos

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

Semicondutores intrínsecos

São aqueles elementos cuja estrutura molecular é composta por um único tipo de átomo. Entre esse tipo de semicondutores intrínsecos estão a sílica e o germânio.

A estrutura molecular dos semicondutores intrínsecos é tetraédrica; isto é, possui ligações covalentes entre quatro átomos circundantes, conforme apresentado na imagem abaixo.

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

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

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

Entretanto, a condutividade do semicondutor intrínseco aumenta sempre que a temperatura aumenta, uma vez que alguns elétrons de valência absorvem a energia térmica e se separam das ligações.

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Esses elétrons se tornam elétrons livres e, se adequadamente abordados por uma diferença de potencial elétrico, podem contribuir para a circulação de corrente na rede cristalina.

Nesse caso, os elétrons livres pulam na 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 que produziria uma carga positiva no sistema, sendo considerados portadores de carga positiva.

Então, ocorre um efeito inverso, já 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 estão em conformidade incluindo impurezas nos condutores intrínsecos; isto é, incorporando elementos trivalentes ou pentavalentes.

Esse processo é conhecido como dopagem e visa aumentar a condutividade dos materiais, melhorar as propriedades físicas e elétricas destes.

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

Semicondutor do 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 apresenta uma lacuna no elo perdido.

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Isso torna a passagem de elétrons que não pertencem à rede cristalina conducente através desse orifício portador carregado positivamente.

Devido à carga positiva do link gap, esse tipo de condutor é chamado com a letra “P” e, conseqüentemente, são reconhecidos como aceitadores de elétrons.

O fluxo de elétrons através dos orifícios na 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; isto é, aqueles que possuem 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 arsênico (As).

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Os dopantes têm um elétron de valência adicional que, não tendo ligação covalente para se unir, é automaticamente livre para se mover pela rede cristalina.

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

Caracteristicas

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

– Sua resposta (condutor ou isolador) pode variar dependendo da sensibilidade do elemento à iluminação, aos campos elétricos e aos campos magnéticos do ambiente.

– Se o semicondutor for submetido a uma temperatura baixa, os elétrons serão mantidos juntos na faixa de valência e, portanto, nenhum elétron livre surgirá 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 assim elétrons livres para a condução elétrica.

– A condutividade dos semicondutores varia de acordo com a 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 entre 1 e 10 -6 S.cm -1 , dependendo do tipo de elemento químico utilizado.

– Os semicondutores compostos ou extrínsecos podem ter propriedades ópticas e elétricas consideravelmente mais altas que as propriedades intrínsecas dos semicondutores.Um exemplo desse aspecto é o arseneto de gálio (GaAs), usado predominantemente em radiofreqüência e outros usos de aplicações optoeletrônicas.

Aplicações

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

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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 sinal de entrada específico.

Além disso, os semicondutores também são o material primário dos diodos usados ​​em circuitos eletrônicos para permitir a passagem de corrente elétrica em apenas uma direção.

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Para o projeto de diodos, são formadas juntas semicondutoras de extrusão tipo P e tipo N. Ao alternar elementos transportadores de elétrons e doadores, um mecanismo de balanceamento é ativado entre as duas zonas.

Assim, elétrons e orifícios nas duas áreas se cruzam e se complementam quando necessário. Isso ocorre de duas maneiras:

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

– Há uma passagem de orifícios 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, é formado um campo elétrico que induz a circulação de corrente em apenas uma direção; isto é, da zona N à zona P.

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

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 nos dispositivos eletrônicos que usamos em nossas vidas diárias, como equipamentos de linha marrom, como televisões, reprodutores de vídeo, equipamentos de som; Computadores e telefones celulares.

Exemplos

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

As ligas de germânio e silício (SiGe) são usadas em circuitos integrados de alta velocidade para radares e amplificadores de instrumentos elétricos, como guitarras elétricas.

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

Referências

  1. Brian, M. (sf). Como funcionam os semicondutores. Recuperado de: electronics.howstuffworks.com
  2. Landin, P. (2014). Semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Recuperado de: pelandintecno.blogspot.com
  3. Rouse, M. (sf). Semicondutor Recuperado de: whatis.techtarget.com
  4. Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londres, Reino Unido. Recuperado de: britannica.com
  5. O que são semicondutores? (sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. Recuperado de: hitachi-hightech.com
  6. Wikipedia, A Enciclopédia Livre (2018). Semicondutor Recuperado de: en.wikipedia.org

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