Semicondutores: Elementos e Aplicações

Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e precisa verificação dessa propriedade; em algum desses elementos a semicondutancia ainda não pode ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta estável a temperatura ambiente.

 Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos materiais semicondutores é encontrada nos materiais de valencia IV, o primeiro elemento é:

Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é antes utilizado como condutor em alguns casos, em outros casos, como material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas condições térmicas ou químicas.

Germânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em pequenas quantidades em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração do germânio é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima película de oxido, é usado para a fabricação de componentes semicondutores.

Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150 ° C, permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que eleva o rendimento e simplifica os métodos de refrigeração.

O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas rochas e em minérios.

 Aplicações dos Materiais Semicondutores

 O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos.

 Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo:

Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta)

Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero.

Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas.

As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade. Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa. Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos. Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc.

O que é um diodo?

Um diodo é o tipo mais simples de semicondutor. De modo geral, um semicondutor é um material com capacidade variável de conduzir corrente elétrica. A maioria dos semicondutores é feita de um condutor pobre que teve impurezas (átomos de outro material) adicionadas a ele. O processo de adição de impurezas é chamado de dopagem.

No caso dos LEDs, o material condutor é normalmente arseneto de alumínio e gálio (AlGaAs). No arseneto de alumínio e gálio puro, todos os átomos se ligam perfeitamente a seus vizinhos, sem deixar elétrons (partículas com carga negativa) livres para conduzir corrente elétrica. No material dopado, átomos adicionais alteram o equilíbrio, adicionando elétrons livres ou criando buracos onde os elétrons podem ir. Qualquer destas adições pode tornar o material um melhor condutor.

Um semicondutor com elétrons extras é chamado material tipo-N, já que tem partículas extras carregadas negativamente. No material tipo-N, elétrons livres se movem da área carregada negativamente para uma área carregada positivamente.

Um semicondutor com buracos extras é chamado material tipo-P, já que ele efetivamente tem partículas extras carregadas positivamente. Os elétrons podem pular de buraco em buraco, movendo-se de uma área carregada negativamente para uma área carregada positivamente. Como resultado, os próprios buracos parecem se mover de uma área carregada positivamente para uma área carregada negativamente.

Um diodo é composto por uma seção de material tipo-N ligado a uma seção de material tipo-P, com eletrodos em cada extremidade. Essa combinação conduz eletricidade apenas em um sentido. Quando nenhuma voltagem é aplicada ao diodo, os elétrons do material tipo-N preenchem os buracos do material tipo-P ao longo da junção entre as camadas, formando uma zona vazia. Em uma zona vazia, o material semicondutor volta ao seu estado isolante original - todos os buracos estão preenchidos, de modo que não haja elétrons livres ou espaços vazios para elétrons, e assim a carga não pode fluir.

Na junção, elétrons livres do material tipo-N preenchem buracos do material tipo-P. Isto cria uma camada isolante no meio do diodo,

chamada de zona vazia.

Para se livrar da zona vazia, você precisa que elétrons se movam da área tipo-N para a área tipo-P e que buracos se movam no sentido inverso. Para fazer isto, você conecta o lado tipo-N do diodo ao terminal negativo do circuito e o lado tipo-P ao terminal positivo. Os elétrons livres no material tipo-N são repelidos pelo eletrodo negativo e atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos no material tipo-P se movem no sentido contrário. Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é alta o suficiente, os elétrons na zona vazia são retirados de seus buracos e começam a se mover livremente de novo. A zona vazia desaparece e a carga se move através do diodo.

Quando o terminal negativo do circuito é preso à camada tipo-N e o terminal positivo é preso à camada tipo-P, elétrons e buracos começam

a se mover e a zona vazia desaparece

Se você tentar mover a corrente no sentido oposto, com o lado tipo-P conectado ao terminal negativo do circuito e o lado tipo-N conectado ao pólo positivo, a corrente não fluirá. Os elétrons negativos no material tipo-N são atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos positivos no material tipo-P são atraídos para o eletrodo negativo. Nenhuma corrente flui através da junção porque os buracos e os elétrons estão cada um se movendo no sentido errado. A zona vazia então aumenta. Para obter mais informações sobre o processo, consulte Como funcionam semicondutores.

Quando o terminal positivo do circuito está ligado à camada tipo-N e o terminal negativo está ligado à camada tipo-P, elétrons livres são coletados em um terminal do diodo e os buracos são coletados em

outro. A zona vazia se torna maior.

A interação entre elétrons e buracos nesta configuração tem um interessante efeito colateral - ela gera luz. Na próxima seção, descobriremos exatamente o porquê disso.

Conclusão Os Díodos são componentes electrónicos fabricados a partir de materiais semicondutores. Os díodos podem ser usados, como por exemplo, para proteger os rádios e os computadores de eventuais ligações incorrectas a uma bateria ou a um gerador de tensão. Existem também os LED’s, que são Díodos emissores de Luz, que podem ser usados, como por exemplo, como elementos indicadores em calculadoras.

retifica corrente alternada em continua ou pode ser usado para isolar determinados pontos de alimentação, um exemplo é usado em montagem de som automotivo, para isolar a bateria do carro da bateria do modulo.

Uma vez me falaram de um tal de diodo. Quem é ele?

Os diodos são componentes eletrônicos formados por semicondutores. São usados como semicondutores o silício (atualmente o mais usado) e o germânio, que em determinadas condições de polarização, possibilitam ou não a circulação de corrente.

Externamente, os diodos possuem dois terminais: Ânodo (A) e o Cátodo (K) e há, próximo ao terminal cátodo, uma faixa que o indica. O diodo é a aplicação mais simples da união PN (semicondutores) e tem propriedades retificadoras, ou seja, só deixar passar a corrente em um certo sentido (ânodo-cátodo), sendo o contrário impossível. Exceção para os diodos Zener, que nessa condição (polarização reversa) deixam passar uma determinada corrente mantendo uma tensão constante entre seus terminais, muito usados por isso como reguladores de tensão.

Existem certas variações na sua apresentação, de acordo com a corrente máxima suportada, desde os modelos cilíndricos parecidos com resistores até modelos parecidos com transistores de potência. Existem também os diodos emissores de luz, os famosos LED (Light Emissor Diode), que são representados por um diodo normal mais duas pequenas flechas para fora, que indicam que emite luz. Possuem as mesmas propriedades dos diodos normais, além, é claro, de emitirem luz. Muito usados pelos casemoders daqui do fórum.

Introdução

Os semicondutores têm tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e em transistores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende de semicondutores.

Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transistores é produzida com sílicio. Você já deve ter ouvido expressões como "Vale do Silício" e "economia do silício", exatamente por isso o silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico.

Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível e, por isso, um excelente ponto de partida para entender como funcionam os semicondutores. Neste artigo, você aprenderá o que é um semicondutor, como funciona a dopagem e como um diodo pode ser criado utilizando semicondutores.

O silício é um elemento muito comum: ele é o principal elemento na areia e no quartzo, por exemplo. Se você procurar "silício" na tabela periódica (em inglês), verá que ele está ao lado do alumínio, abaixo do carbono e sobre o germânio.

O silício está posicionado ao lado do alumínio e abaixo do carbono na tabela periódica

O carbono, o silício e o germânio (que assim como o silício, também é um semicondutor) possuem uma propriedade única em sua estrutura de elétrons, cada um possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando uma reticulado. No carbono, conhecemos a forma cristalina como diamante. No silício, a forma cristalina é uma substância metálica prateada.

Em um reticulado de silício, todos os átomos do silício ligam-se perfeitamente a quatro vizinhos, não deixando nenhum elétron livre para

conduzir a corrente elétrica. Isso torna um cristal de silício isolante, ao invés de condutor

Metais tendem a ser bons condutores de eletricidade, já que normalmente possuem "elétrons livres", que conseguem se mover facilmente entre os átomos e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Apesar de os cristais de silício terem aparência metálica, não são, de fato, metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, muito pouca eletricidade passa por ele.

É possível alterar o comportamento do silício e transformá-lo em um condutor dopando-o. Na dopagem, mistura-se uma pequena quantidade de impurezas a um cristal de silício.

Existem dois tipos de impurezas:

Tipo N - Na dopagem tipo N, o fósforo (em inglês) ou o arsênico (em inglês) é adicionado ao silício em pequenas quantidades. O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres o suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo silício. O silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N.

Tipo P - Na dopagem tipo P, o boro (em inglês) ou o gálio (em inglês) é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam "buracos" ou "lacunas" na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor.

Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de silício de bom isolante a um condutor viável, mas não excelente - daí o nome "semicondutor".

Os silícios tipo N e tipo P não são tão impressionantes sozinhos; mas quando você os coloca juntos, consegue um comportamento bem interessante na união dos dois.

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível. Um diodo permite que a corrente flua em uma direção, mas não na outra. Você já deve ter visto catracas em um estádio ou em uma estação de metrô, que deixam as pessoas passarem em apenas uma direção. Um diodo é uma catraca de sentido único para elétrons.

Quando você coloca juntos o silício tipo N e tipo P como mostrado nesse diagrama, obtém um fenômeno bem interessante, que dá ao diodo suas propriedades únicas.

Mesmo que o silício tipo N e o silício tipo P sozinhos sejam condutores, a combinação mostrada no diagrama não conduz eletricidade. Os elétrons negativos no silício tipo N são atraídos para o terminal positivo da bateria. As lacunas positivas no silício tipo P são atraídas para o terminal negativo da bateria. Nenhuma corrente flui pela junção, pois as lacunas e os elétrons estão se movendo na direção errada.

Se você inverter a bateria, o diodo conduz a eletricidade muito bem. Os elétrons livres no silício tipo N são repelidos pelo terminal negativo da bateria. As lacunas no silício tipo P são repelidas pelo terminal positivo. Na junção entre o silício tipo N e o silício tipo P as lacunas e os elétrons se encontram. Os elétrons preenchem as lacunas. Ambos deixam de existir e novas lacunas e elétrons surgem em seu lugar. O efeito é que a corrente flui pela junção.

Um dispositivo que bloqueia a corrente em uma direção, enquanto a deixa fluir em outra, é chamado de diodo. Os diodos podem ser utilizados de diferentes maneiras. Um dispositivo que utiliza pilhas, por exemplo, normalmente contém um diodo que o protege se você inserir as pilhas ao contrário. O diodo simplesmente bloqueia qualquer corrente que tente deixar a pilha se ela estiver ao contrário; isso protege os sensíveis componentes eletrônicos no dispositivo.

O comportamento do diodo semicondutor não é perfeito, como mostrado neste gráfico:

Se polarizado inversamente, um diodo ideal bloquearia toda a corrente. Um diodo real deixa passar 10 microampéres, o que não é muito, mas ainda assim não é perfeito. Se você aplicar suficiente tensão (V) invertida suficiente, a junção se quebra e deixa a corrente passar. Geralmente, a tensão de quebra é muito maior do que o circuito jamais receberá, então é irrelevante.

Quando polarizado diretamente, uma pequena quantidade de tensão é necessária para fazer o diodo funcionar. No silício, essa tensão é de cerca de 0,7 volts. Essa tensão é necessária para iniciar o processo de combinação lacuna-elétron na junção.

Um transistor é criado utilizando três camadas ao invés das duas utilizadas no diodo. Você pode criar tanto uma combinação NPN quanto PNP. Um transistor pode atuar como chave ou amplificador.

Um transistor se parece com dois diodos de costas um pro outro. Assim, você teria de imaginar que nenhuma corrente poderia fluir por um transistor, já que os diodos bloqueariam a corrente dos dois lados. Isso é verdade. Contudo, quando se aplica uma pequena corrente à camada central da estrutura em sanduíche, uma corrente muito maior pode fluir pelo sanduíche como um todo. Isso dá ao transistor seu comportamento de interruptor. Uma pequena corrente pode ligar e desligar uma grande corrente.

O chip de silício é uma peça de silício que pode comportar milhares ou mesmo milhões de transistores. Com transistores atuando como chaves, é possível criar portas lógicas, e com elas pode-se criar chips de microprocessador.

A evolução natural do silício para o silício dopado, para transistores e para chips é o que tornou os microprocessadores e outros dispositivos eletrônicos tão baratos e onipresentes na sociedade atual. Os princípios fundamentais são incrivelmente simples. O milagre é o constante refinamento desses princípios ao ponto que, hoje, milhões de transistores podem ser criados de forma barata em um único chip.

Um diodo é um componente eletrônico com dois terminais, que conduz corrente elétrica em apenas uma direção. O termo normalmente se refere a um diodo semicondutor, que é o tipo mais comumente usado hoje. Um diodo semicondutor é um pedaço de material semicondutor cristalino ligado a dois terminais elétricos. Considerando que um diodo de tubo de vácuo, utilizados em determinadas tecnologias, de alta potência, é um tubo de vácuo com dois eletrodos, um cátodo e uma placa.

A função mais freqüente de um diodo é permitir que uma corrente elétrica para passar em uma única direção (direção conhecido como um diodo para a frente), enquanto o bloqueio atual na direção oposta (sentido inverso de um diodo). Esse comportamento unidirecional é conhecido como retificação. A retificação é usado para converter corrente alternada (CA) para corrente contínua (DC), e para extrair a modulação de sinais de rádio em rádio receptor.

Diodes pode ter um comportamento mais complexo do que este simples ação on-off, devido à sua complexa não linear características elétricas, que podem ser adaptados, variando a construção de sua junção PN (junção do tipo p e semicondutores tipo-n). Por exemplo, diodos especializados chamados diodos Zener são usados para regular a tensão, e diodos Varactor sintonizar a rádio por via electrónica e receptores de TV, diodos túnel para gerar

oscilações de rádio frequência e diodos emissores de luz (LEDs) para produzir a luz.

Diodes foram os dispositivos semicondutores primeiro eletrônicos. A descoberta das habilidades dos cristais de rectificação foi feita em 1874. O primeiro original diodos semicondutores, diodos gato chamado de suiça foram feitas de cristais de sais minerais, como galena. Hoje a maioria dos diodos são agora feitos de silício.