O que é Semicondutor?

 

Um material semicondutor tem um valor de condutividade elétrica que fica entre o de um condutor, como o cobre metálico, e um isolante, como o vidro. Sua resistividade diminui à medida que sua temperatura aumenta; os metais se comportam de maneira oposta. Suas propriedades condutoras podem ser alteradas de maneira útil pela introdução de impurezas (\"dopagem\") na estrutura cristalina. Quando duas regiões dopadas diferentes existem no mesmo cristal, uma junção semicondutora é criada. O comportamento dos portadores de carga, que incluem elétrons, íons e buracos de elétrons, nessas junções é a base dos diodos, transistores e da maioria dos eletrônicos modernos. Alguns exemplos de semicondutores são silício, germânio, arseneto de gálio e elementos próximos à chamada \"escada metalóide\" na tabela periódica. Depois do silício, o arseneto de gálio é o segundo semicondutor mais comum e é usado em diodos de laser, células solares, circuitos integrados de frequência de micro-ondas e outros. O silício é um elemento crítico para a fabricação da maioria dos circuitos eletrônicos.

 

Dispositivos semicondutores podem exibir uma variedade de propriedades úteis, como passar a corrente mais facilmente em uma direção do que na outra, apresentar resistência variável e ter sensibilidade à luz ou ao calor. Como as propriedades elétricas de um material semicondutor podem ser modificadas por dopagem e pela aplicação de campos elétricos ou luz, dispositivos feitos de semicondutores podem ser usados ​​para amplificação, comutação e conversão de energia.

 

 

Um grande número de elementos e compostos têm propriedades semicondutoras, incluindo:

 

 

 

• l Certos elementos puros são encontrados no grupo 14 da tabela periódica; os mais importantes comercialmente desses elementos são o silício e o germânio. Silício e germânio são usados ​​aqui efetivamente porque têm 4 elétrons de valência em sua camada mais externa, o que lhes dá a capacidade de ganhar ou perder elétrons igualmente ao mesmo tempo.

 

• l Compostos binários, particularmente entre elementos dos grupos 13 e 15, como arseneto de gálio, grupos 12 e 16, grupos 14 e 16, e entre diferentes elementos do grupo 14, e. carboneto de silício.

 

• l Certos compostos ternários, óxidos e ligas.

 

• l Semicondutores orgânicos, feitos de compostos orgânicos.

 

• l Estruturas metal-orgânicas semicondutoras.

 

 

 

Materiais semicondutores

 

Os materiais de estado sólido são comumente agrupados em três classes: isolantes, semicondutores e condutores. (Em baixas temperaturas, alguns condutores, semicondutores e isolantes podem se tornar supercondutores.) A figura mostra as condutividades σ (e as resistividades correspondentes ρ = 1/σ) que estão associadas a alguns materiais importantes em cada uma das três classes. Os isolantes, como o quartzo fundido e o vidro, têm condutividades muito baixas, da ordem de 10-18 a 10-10 siemens por centímetro; e condutores, como o alumínio, têm alta condutividade, tipicamente de 104 a 106 siemens por centímetro. As condutividades dos semicondutores estão entre esses extremos e são geralmente sensíveis à temperatura, iluminação, campos magnéticos e pequenas quantidades de átomos de impureza. Por exemplo, a adição de cerca de 10 átomos de boro (conhecido como dopante) por milhão de átomos de silício pode aumentar sua condutividade elétrica mil vezes (considerando parcialmente a ampla variabilidade mostrada na figura anterior).

 

O estudo de materiais semicondutores começou no início do século XIX. Os semicondutores elementares são aqueles compostos de espécies únicas de átomos, como silício (Si), germânio (Ge) e estanho (Sn) na coluna IV e selênio (Se) e telúrio (Te) na coluna VI da tabela periódica. Existem, no entanto, numerosos semicondutores compostos, que são compostos por dois ou mais elementos. O arseneto de gálio (GaAs), por exemplo, é um composto binário III-V, que é uma combinação de gálio (Ga) da coluna III e arsênico (As) da coluna V. Os compostos ternários podem ser formados por elementos de três colunas diferentes— por exemplo, telureto de mercúrio e índio (HgIn2Te4), um composto II-III-VI. Eles também podem ser formados por elementos de duas colunas, como o arseneto de alumínio e gálio (AlxGa1 − xAs), que é um composto ternário III-V, onde tanto Al quanto Ga são da coluna III e o subscrito x está relacionado à composição de os dois elementos de 100 por cento Al (x = 1) a 100 por cento Ga (x = 0). O silício puro é o material mais importante para aplicações de circuitos integrados, e os compostos binários e ternários III-V são os mais significativos para a emissão de luz.

 

 

 

 

Como funcionam os semicondutores

 

 

Hoje, a maioria dos chips semicondutores e transistores são criados com silício. Você já deve ter ouvido expressões como \"Vale do Silício\" e \"economia do silício\", e é por isso que o silício é o coração de qualquer dispositivo eletrônico.

Um diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível e, portanto, é um excelente ponto de partida se você quiser entender como os semicondutores funcionam. Neste artigo, você aprenderá o que é um semicondutor, como funciona a dopagem e como um diodo pode ser criado usando semicondutores. Mas primeiro, vamos dar uma olhada no silício.

O silício é um elemento muito comum - por exemplo, é o elemento principal na areia e no quartzo. Se você procurar o \"silício\" na tabela periódica, verá que ele fica ao lado do alumínio, abaixo do carbono e acima do germânio.

Carbono, silício e germânio (germânio, como o silício, também é um semicondutor) têm uma propriedade única em sua estrutura eletrônica - cada um tem quatro elétrons em seu orbital externo. Isso permite que eles formem cristais agradáveis. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando uma rede. No carbono, conhecemos a forma cristalina como diamante. No silício, a forma cristalina é uma substância prateada de aparência metálica.

Em uma rede de silício, todos os átomos de silício se ligam perfeitamente a quatro vizinhos, não deixando elétrons livres para conduzir a corrente elétrica. Isso torna um cristal de silício um isolante em vez de um condutor.

Os metais tendem a ser bons condutores de eletricidade porque geralmente têm \"elétrons livres\" que podem se mover facilmente entre os átomos, e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Embora os cristais de silício pareçam metálicos, eles não são, de fato, metais. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, então eles não podem se mover. Um cristal de silício puro é quase um isolante - muito pouca eletricidade fluirá através dele.

Mas você pode mudar tudo isso através de um processo chamado doping.