sexta-feira, 1 de fevereiro de 2013

Materiais Semicondutores


Oque é um semicondutor
 Intel®300 mm wafer com 45 nm
Os materiais semicondutores são largamente utilizados em eletrônica, presente em praticamente todos os aparelhos que funciona com eletricidade. Quando se fala em eletricidade, três tipos de materiais são extremamente fundamentais para a produção das tecnologias atuais ,são eles: os condutores, os semicondutores e os isolantes






Tipo de materiais


Do ponto de vista da eletrônica existem três tipos de materiais de grande importância, são eles:
  • Condutor é aquele que conduz um grande fluxo de cargas elétricas ao se aplicar, através de seus terminais, uma fonte de tensão de amplitude limitada;
  • Os isolantes são materiais que oferecem um nível muito baixo de condutividade de cargas quando ligado em uma fonte de tensão;
  • O semicondutor é um material que possui as características de condutividade entre os materiais condutores e isolantes.
Existem vários tipos de matérias semicondutores, porem dentre esses os materiais formados a base de silício (Si) e germânio (Ge) recebem maiores interesses com relação ao desenvolvimento de dispositivos semicondutores pelo fato de poderem ser fabricados com um alto índice de pureza (semicondutores intrínseco) e terem uma capacidade de modificação radical das características do material por meio de processo de dopagem.  Sendo o Si o campeão em pesquisas nos últimos anos.
Materiais intrínsecos são semicondutores cuidadosamente purificados, possuem níveis de impurezas extremamente baixos. Na figura 1 temos um wafer de um material semicondutor de silício.

Como apreder eletronica, semicondutor
Figura 1 - Intel®300 mm wafer com 45 nm


A rede cristalina entre os átomos de silício são formadas através de ligações covalentes entre elementos. O silício e o germânio possuem quatro elétrons na ultima camada de valência sendo chamados de átomos tetravalentes. Em um cristal puro de germânio ou silício, esses elétrons de valência estão ligados a quatro átomos como ilustrado na figura 2.

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Figura 2 - Ligação covalente entre os átomos.



Os elétrons de valência podem absorver energia cinética suficiente, por condições naturais, para quebrar a ligação e assumir o estado livre, isso é o elétron pode se movimentar quando imerso em um campo elétrico. Um aumento da temperatura em um material semicondutor resulta eu um aumento substancial do número de elétrons livres no material.

As características dos materiais para serem condutores, semicondutores ou isolantes é relacionada aos níveis de energia associados a cada elétron em orbita, cada material possui seu próprio conjunto de níveis de energia permitidos, figura 3. Entre os níveis discretos de energia estão os intervalos (gaps) onde nenhum elétron da estrutura atômica pode aparecer. Portando, para que um elétron salte de nível é necessário fornecer uma energia igual ao gap de energia para que tenhamos um elétron livre, a quantidade de energia necessária é que determina o tipo de matéria se é condutor, isolante ou semicondutor.


Níveis de energia entre os materiais
Figura 3 - Níveis de energia entre os materiais



Materiais extrínsecos dos tipos N e P



As características dos de um material semicondutor pode ser modificadas com a adição de certos átomos de impurezas no material semicondutor intrínseco, esse processo de adicionar impurezas é chamado de processo de dopagem. O material semicondutor dopado é chamado de material extrínseco.


Os materiais extrínsecos podem ser de dois tipos: material extrínseco do tipo N e do tipo P. Esse dois tipos de matérias são formados por meio do processo de dopagem com átomos específicos.



Material do tipo P



Quando introduzimos um átomo de uma impureza trivalente (boro, gálio ou índio) este possui somente três elétrons para completar as ligações covalentes, logo uma das ligações covalentes do silício ficará incompleta, figura 4. O espaço vazio resultante é chamado de lacuna e é representado por um sinal positivo devido a ausência de uma carga negativa. Uma lacuna recebe um elétron livre.

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Figura 4 - Ligação covalente do silício e uma impureza pentavalente.


Material do tipo N



Quando introduzimos um átomo de uma impureza pentavalente (antimônio, arsênio ou fósforo) este possui cinco elétrons para completar as ligações covalentes, sendo que um elétron excedente torna-se livre para se conduzir, figura 5. As impurezas difundidas com cinco elétrons de valência são chamadas de átomos doadores. 

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Figura 5 - Ligação covalente do silício e uma impureza trivalente.

Observe que mesmo com um grande número de portadores livres ou lacunas tenham se estabelecido no material do tipo N ou P, eles ainda são eletricamente neutro, pois o numero de prótons carregados positivamente no núcleo ainda são iguais ao numero dos elétrons orbitando na estrutura.

Conclusão


Nesse artigo definimos de forma sucinta e rápida os materiais semicondutores e os seus dois principais tipos. Configurações entre os materiais do tipo N e P são largamente utilizados para a construção de dispositivos eletrônicos com diversas aplicações, em momentos posteriores abordarei alguns desses dispositivos.  
 




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