Introdução à Eletrônica - Semicondutores

Semicondutores são a base da eletrônica moderna. Suas aplicações vão desde componentes simples, como diodos e transistores, até circuito complexos como chips de computadores.

Como o nome sugere, semicondutores são materiais que conduzem eletricidade, porém não com tanta facilidade quanto os condutores. Esses materiais tem sua condutividade muito afetada por fatores externos, e podem alternar entre os modos de condução e isolamento. O material semicondutor mais utilizado é o silício.

Materiais semicondutores são encontrados na natureza. Porém, quando estão na sua forma pura, não apresentam as características desejadas. Eles precisam passar por um processo conhecido como dopagem, onde impurezas são adicionadas em sua composição. Depois desse processo, dois tipos de semicondutores podem ser adquiridos:

• Semicondutor Tipo P: Apresenta lacunas de elétrons, por isso chamado de P (positivo).

• Semicondutor Tipo N: Apresenta elétrons sobrando, por isso chamado de N (negativo).

De volta às aulas de Química

Para entender melhor o porquê dessa falta e excesso de elétrons, vamos precisar entender como são as ligações atômicas entre os semicondutores.

Vamos pegar o exemplo mais comum, o Silício (Si). Um átomo de silício apresenta 14 elétrons. Desses, 4 estão na camada de valência (camada mais externa). Os átomos sempre tentam ter 8 elétrons em suas camadas de valência. Portanto, o silício tende a se unir em estruturas cristalinas, compartilhando seus elétrons com os átomos ao redor.

Essa ligação é chamada de ligação covalente, onde o mesmo elétrons é compartilhado entre dois átomos.

Cada átomo compartilha seus 4 elétrons com outro 4 átomos ao redor. Desse jeito, todos os átomos acabam ficando com 8 elétrons em suas camadas de valência. As ligações covalentes são fortes e dificultam a movimentação dos elétrons, ou seja, a condução de corrente.

Semicondutores Tipo N

Para fazer semicondutores tipo N, ou seja, com sobra de elétrons, são adicionadas como impurezas átomos com 5 elétrons na camada de valência, por exemplo fósforo (P). Ao fazer isso, as 4 ligações covalentes ainda são formadas, porém um elétron acaba sobrando.

Podemos pensar que esse material tem facilidade de enviar elétrons, mas dificuldade de receber.

Semicondutores Tipo P

Já para fazer semicondutores tipo P, ou seja, com sobra de elétrons, são adicionadas como impurezas átomos com apenas 3 elétrons na camada de valência, por exemplo boro (B). Ao fazer isso, apenas 3 ligações covalentes ainda são formadas, fazendo a estrutura precisar de mais um elétron.

Podemos pensar que esse material tem dificuldade de enviar elétrons, mas facilidade de recebe-los.

Aplicações

A combinação de semicondutores tipo P e N pode gerar componentes com características desejadas para determinadas aplicações. Os dois usos mais comuns dos semicondutores são Diodos e Transistores.

Diodos

Diodos são componentes formados pela junção de semicondutores tipo N e P, como na imagem abaixo. Essa estrutura faz com que a corrente só consiga passar em um sentido, indo do material P para o N. O oposto não acontece.

Transistores

Transistores NPN são compostos de duas peças de material tipo N, separadas por um material tipo P. Já transistores PNP são o oposto, materiais tipo P separados por um material tipo N. Ao aplicar uma corrente no material intermediário (chamado de base), inicia-se a condução de corrente entre os dois outros terminais. Pensando no transistor ideal, seu funcionamento é o de um interruptor, ativado pela corrente no terminal de base.

Conclusão

Em conclusão, os semicondutores desempenham um papel fundamental na evolução da eletrônica moderna, sendo a base para o desenvolvimento de dispositivos cada vez mais sofisticados e eficientes. Sua capacidade de controlar o fluxo de eletricidade e suas propriedades únicas permitem a criação de componentes essenciais, como transistores, diodos e circuitos integrados, que são fundamentais para o funcionamento de uma vasta gama de tecnologias.

À medida que a demanda por dispositivos mais rápidos, compactos e com menor consumo de energia aumenta, a pesquisa e a inovação no campo dos semicondutores continuarão a ser cruciais para a transformação da indústria eletrônica. O futuro da eletrônica está intimamente ligado ao avanço dos materiais semicondutores, e, com a descoberta de novos materiais e a miniaturização contínua dos componentes, o impacto desses avanços será ainda mais profundo, abrindo novas possibilidades para a sociedade e a economia global.