Materiais Semicondutores

Semicondutores

    Os materiais semicondutores se caracterizam por possuir como portadores as lacunas e os elétrons livres. Estes materiais se ligam através de ligações covalentes formando cristais. Os cristais formados podem ser classificados em dois grupos, os de cristais intrínsecos e os de cristais extrínsecos. Os cristais intrínsecos se caracterizam pela presença de átomos de semicondutores apenas, enquanto que os extrínsecos apresentam elementos que adicionam propriedades aos cristais.

   Nos semicondutores intrínsecos temos a presença de átomos do semicondutor puro, sendo estes átomos constituídos por quatro elétrons na camada de valência. Para que seja possível forma cristais, tais átomos se unem através de ligações covalentes. A condução nestes elementos ocorre devido a formação de elétrons livres durante a agitação térmica, os quais, caso exista algum campo elétrico aplicado, tendem a se movimentar em um sentido e suas lacunas em sentido oposto. Portanto, a condução em materiais semicondutores ocorre devido à excitação dos elétrons da banda de valência para a banda de condução e devido às lacunas. Sendo a quantidade de energia necessária para levar um elétron da banda de valência para a banda de condução, conhecida como gap de energia, o que determina em última instância se o elemento será um condutor, semicondutor ou isolante. Nos semicondutores, esta energia está em torno de 1 eV, enquanto que nos isolantes é dezenas de vezes maior. Sendo assim, à temperatura de zero Kelvin (-273.15 °C) os semicondutores se comportam como isolantes, pois os elétrons não terão energia suficiente para passarem para a banda de condução.

   No grupo dos semicondutores extrínsecos temos dois tipos: n e p. Essas siglas vêm de negativo e positivo e está diretamente associado com elemento que é utilizado na dopagem. Quando a dopagem é feito com elementos pentavalentes, como fósforo e antimônio, temos que estes elementos passam a assumir a posição dos átomos do semicondutor, fazendo quadro ligações covalentes e apresentando um elétron de valência sem realizar ligação.Como a estabilidade é alcançada com o octeto,os elétrons excedentes, nos semicondutores tipo n,dão origem à elétrons livres e os átomos pentavalentes apresentam carga positiva. Já no caso dos cristais do tipo p, temos que os elementos utilizados para dopagem são trivalentes. Neste caso, quando o átomo dopante assume a posição de um átomo do cristal, temos um ausência de um elétron, com o conseqüente surgimento de uma lacuna.

   Portanto, podemos concluir que nos condutores do tipo n, os portadores de carga majoritários são os elétrons livres e nos condutores do tipo p são as lacunas.

   Quando juntos, temos a formação de uma junção do tipo pn, a qual dá origem a várias aplicações envolvendo os semicondutores, tais como diodos e transistores.

Representação esquemática dos Semicondutores tipo n e p.

Representação esquemática da junção pn

      Nas regiões próximas a junções destes semicondutores, temos a formação da camada de depleção. Nesta camada, ocorre a união dos elétrons livres provenientes do tipo n com as lacunas que estão no tipo p. Sendo assim, temos a formação de vários íons e o estabelecimento de uma barreira de potencial para a passagem dos elétrons.

    Quando ligamos os semicondutores a uma fonte de tensão, temos duas possíveis situações. Quando a polarização é direta, ou seja, liga-se o pólo positivo da fonte ao semicondutor tipo p e o pólo negativo ao semicondutor tipo n, os elétrons livres presentes no lado n tende a circular em direção ao pólo positivo enquanto que as lacunas presentes no lado p tende a circular em direção ao pólo negativo da fonte, combinando-se com os íons presentes na região de depleção, a qual diminui. Dessa forma, desde que a tensão da fonte seja superior à barreira de potencial do semicondutor, teremos uma corrente incessante.

   No caso de uma polarização reversa, temos que a ligação é feita de forma que o pólo positivo da fonte fique ligado ao semicondutor tipo n e o pólo negativo da fonte esteja ligado ao do tipo p. Dessa forma, os elétrons presentes na região do tipo n tende a circular em direção ao pólo positivo e as lacunas do lado p em direção ao pólo negativo, ou seja, eles se afastam da região de depleção, que vai aumentando. Em determinado momento a diferença de potencial na camada de depleção será igual a tensão da fonte, sendo cessado este tipo de movimento dos elétrons. Porém, devido a agitação térmica, continuam sendo formados elétrons e lacunas, os quais permanecem circulando, constituindo a corrente de portadores minoritários ou corrente de saturação. Uma das razões de o silício ser mais utilizado que o germânio como semicondutor está nesta corrente de saturação que é menor no silício quando comparado com o germânio.

   Além da corrente de saturação, temos também uma corrente de fuga, resultado das impurezas na superfície e imperfeições na estrutura cristalina. A corrente de fuga é uma função do esforço que o material é submetido da mesma forma que a de saturação é função da temperatura.

   Portanto, existem correntes em um diodo polarizado reversamente, sendo estas a maioria das vezes desprezíveis.

   Os semicondutores apresentam uma tensão denominada tensão de ruptura, a partir da qual os matérias são danificados, sendo no caso dos diodos retificadores, ou seja, que conduzem bem em um único sentido, em torno de 50V. A partir desta tensão, os elétrons que formam a corrente de saturação são acelerados de tal forma que conseguem fornecer energia aos demais elétrons, passando estes a estarem livres e constituírem a corrente, de forma que o material passa a conduzir bem. Tal efeito é denominado efeito avalanche.