M024 - O Semicondutor

O Semicondutor

No Módulo anterior nós vimos como funciona a válvula eletrônica. Vimos também que as principais limitações das válvulas são seu tamanho, fragilidade (o bulbo é feito de vidro), consumo de energia e aquecimento. Estas características limitam o uso delas em circuitos que exigem muitas válvulas.

Assim, Em 1925 o físico austríaco Julius Edgar Lilienfeld propôs uma construção que tinha o objetivo de substituir as válvulas termiônicas. O componente proposto por ele se assemelhava ao transistor de efeito de campo moderno, mas ele não conseguiu construir um protótipo funcional do componente. Somente em 1947 os engenheiros John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, dos laboratórios da empresa americana Bell Telephones, inventaram um dispositivo batizado de transfer resistor que tinha realmente potencial para substituir as válvulas termoiônicas. Mais tarde o nome foi abreviado para transistor. A invenção rendeu a eles o Prêmio Nobel de 1956.

Para nós entendermos os componentes ativos modernos como o diodo e o transistor, primeiro temos que estudar os semicondutores.

Cristais de Silício

Os primeiros semicondutores eram feitos de Germânio. Posteriormente passou-se a utilizar o silício que é um dos elementos mais comuns na natureza. O Silício é o principal componente da areia de praia, por exemplo.

No nosso Módulo sobre a Carga Elétrica, nós vimos que a corrente elétrica é composta pelos elétrons da eletrosfera dos átomos. Normalmente somente os elétrons da camada mais externa da eletrosfera participam da formação da corrente elétrica. O Silício (assim como o Germânio) tem uma característica muito importante que é a presença de 4 elétrons nesta camada mais externa. Esta simetria permite que os átomos de Silício se liguem uns aos outros em estruturas cristalinas bem organizadas na forma de reticulado (fig1), formando o cristal de silício. Esta qualidade do cristal é importante para a fabricação dos semicindutores.

Fig 1

Na figura 2 apresentamos o cristal de silício em estado bruto e na forma de "wafer" (bolacha em inglês), utilizada na fabricação de componentes eletrônicos.

Fig 2

O cristal de silício no estado natural é um mau condutor de corrente. Isto acontece porque os elétrons que poderiam estar formando a corrente elétrica estão presos nas ligações atômicas do cristal. O processo para transformar o cristal de silício em um condutor se chama dopagem e tem por objetivo permitir que os elétrons do cristal de silício tenham alguma mobilidade e assim formem a corrente elétrica.

Existem dois tipos de dopagem, a P e a N:

Dopagem N

Na dopagem N substitui-se uma pequena quantidade de átomos de silício do cristal por átomos de fósforo (P na tabela periódica). O átomo de fósforo tem 5 elétrons na camada mais externa da eletrosfera, mas se liga bem ao silício. Assim, ao tomar o lugar de um átomo de silício na estrutura cristalina, acaba sobrando um elétron livre naquela posição. Este elétron, junto com os outros provenientes de outros átomos de fósforo são suficientes para permitir a passagem da corrente elétrica.

Na figura 3 a representação da dopagem N:

Fig 3

Dopagem P

Na dopagem P substitui-se uma pequena quantidade de átomos de silício do cristal por átomos de Boro (B na tabela periódica). O átomo de boro tem 3 elétrons na camada mais externa da eletrosfera, mas também se liga bem ao silício. Assim, ao tomar o lugar de um átomo de silício na estrutura cristalina, acaba faltando um elétron naquela posição. No lugar do elétron fica uma lacuna que pode ser facilmente preenchida por algum eletron livre na estrutura. Esta lacuna, juntamente com lacunas formadas por outros átomos de Boro são posições preenchidas por elétrons livres que saltam de um átomo para o outro.

Na figura 4 a representação da dopagem P:

Fig 4

O nome semicondutor é dado ao silício tipo N e tipo P porque, apesar de conduzirem corrente, a condução não é tão boa quanto nos metais.

Se você conectar os terminais de uma pilha a uma barra de semicondutor tipo N, o polo negativo da pilha vai empurrar os elétrons livres em direção ao polo positivo e vai repor elétrons livres, permitindo que os elétrons circulem entre o polo negativo e positivo.

Agora, se você conectar os polos da pilha a uma barra de semicondutor tipo P, os elétron do polo negativo vão pular para as lacunas próximas e vão ser atraidos pelo polo positivo, pulando de lacuna em lacuna. Ao chegar ao polo positivo, eles pulam para o terminal da pilha deixando uma lacuna em seu lugar.

Para facilitar a análise dos processos eletrônicos nos materiais semicondutores, criou-se o conceito de portadores de carga. Se pudessemos filmar os elétrons se deslocando no semicondutor P e N, veríamos o elétron se deslocando no N e a lacuna no P, no sentido contrário ao dos elétrons. Assim, no semicondutor tipo N, quem transporta a carga (negativa) é o elétron. Já no semicondutor tipo P quem transporta a carga (positiva) é a lacuna.

Mas não confunda os conceitos. Quem sempre se desloca é o elétron. A lacuna é uma concepção para facilitar as análises.

Nos próximos módulos veremos como os semicondutores são utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos.