O espectro de semicondutores: um guia para os diferentes tipos

24 Haziran 2024 Luciano Bertene

Crônicas de semicondutores: explorando a diversidade de materiais

No complexo mundo da eletrônica, os semicondutores são os heróis anônimos que impulsionam nosso cenário tecnológico moderno. Esses materiais podem conduzir corrente elétrica seletivamente, tornando-os blocos de construção de transistores, diodos, microchips e muito mais. No entanto, nem todos os semicondutores são iguais. Eles vêm em uma rica variedade de materiais, cada um com suas próprias propriedades e aplicações. Nesta viagem pelo universo dos semicondutores, iremos desvendar os diversos materiais que formam a base da eletrónica, desde o clássico silício até aos compostos exóticos e tudo o que existe entre eles.

Silício: o carro-chefe da eletrônica

O silício, muitas vezes referido como o carro-chefe da indústria de semicondutores, tem sido um material básico há décadas. Sua riqueza, estabilidade e propriedades bem pesquisadas fazem dele a primeira escolha para a maioria das aplicações eletrônicas. Os semicondutores baseados em silício alimentam nossos computadores, smartphones e inúmeros outros dispositivos. São também a base dos circuitos integrados, nos quais milhões de transistores trabalham em harmonia para processar e armazenar informações.

Germânio: o elemento esquecido

Embora o germânio seja menos comum na eletrônica moderna, desempenhou um papel importante nos primórdios da tecnologia de semicondutores. Possui propriedades semelhantes às do silício, mas requer condições de fabricação mais rigorosas. Dispositivos baseados em germânio, como diodos e transistores, foram cruciais para sistemas eletrônicos inovadores.

Semicondutores compostos: abrindo novos caminhos

Os semicondutores compostos são uma categoria fascinante de materiais criados pela combinação de elementos de diferentes grupos da tabela periódica. Arseneto de gálio (GaAs), nitreto de gálio (GaN) e fosfeto de índio (InP) são apenas alguns exemplos. Esses materiais oferecem vantagens únicas, como alta mobilidade eletrônica e excelente desempenho em aplicações de alta frequência. Os semicondutores compostos são essenciais para o desenvolvimento de eletrônicos avançados, incluindo dispositivos de comunicação de alta velocidade e sistemas de radar avançados.

Semicondutores Orgânicos: Flexíveis e Futuristas

Os semicondutores orgânicos são uma classe emergente de materiais que oferecem enorme potencial para eletrônica flexível, diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) e muito mais. Eles são feitos de moléculas à base de carbono e oferecem flexibilidade, design leve e fabricação econômica. Os semicondutores orgânicos estão abrindo caminho para telas flexíveis, tecnologia vestível e células solares orgânicas.

Semicondutores exóticos: ultrapassando limites

Além dos materiais convencionais, os pesquisadores estão continuamente explorando semicondutores exóticos, como diamante, carboneto de silício (SiC) e perovskita. Esses materiais exibem propriedades notáveis, desde extrema durabilidade e estabilidade em altas temperaturas até impressionante eficiência fotovoltaica. Os semicondutores exóticos estão na vanguarda das tecnologias de ponta, incluindo a eletrónica de alto desempenho e as células solares de próxima geração.

Classificação de semicondutores: intrínseco vs. extrínseco

Os semicondutores são a espinha dorsal da eletrônica moderna e sua capacidade de controlar o fluxo de eletricidade os torna essenciais para uma variedade de aplicações. Para entender melhor seu comportamento e utilidade, categorizamos os semicondutores em dois tipos principais: intrínsecos e extrínsecos. Essas classificações são essenciais na física e tecnologia teórica e prática de semicondutores.

Semicondutor intrínseco

Um semicondutor é uma forma extremamente pura chamada semicondutor intrínseco.

Exemplos comuns de tais semicondutores são o germânio puro e o silício, que possuem lacunas de energia proibidas de 0,72 eV e 1,1 eV, respectivamente.

Alternativamente, pode ser desejado um semicondutor intrínseco no qual o número de elétrons de condução seja igual ao número inteiro de lacunas.

Em um semicondutor intrínseco que é uniforme à temperatura ambiente, pares de elétrons com % de buraco são criados quando um campo elétrico é aplicado através de um semicondutor intrínseco. A condução de eletricidade ocorre através de dois processos: elétrons livres e lacunas, conforme mostra a figura.

Semicondutores estrangeiros

Os semicondutores são classificados em semicondutores intrínsecos e semicondutores extrínsecos. Os semicondutores extrínsecos podem ser classificados em semicondutores do tipo N e do tipo P. Embora os semicondutores intrínsecos tenham sua utilização, muitos dispositivos eletrônicos práticos requerem um controle mais preciso do comportamento elétrico. É aqui que os semicondutores extrínsecos entram em ação. Semicondutores extrínsecos são criados pela introdução intencional de certos tipos e quantidades de impurezas, um processo denominado dopagem.

Ao adicionar uma pequena quantidade de uma impureza apropriada (doador), um semicondutor intrínseco é convertido em um semicondutor extrínseco.

Os semicondutores intrínsecos são os chamados semicondutores de impureza, aos quais foram adicionadas substâncias estranhas ou dopantes especiais e adequados em quantidades excepcionalmente pequenas.

dopagem

Impurezas são adicionadas aos semicondutores. A quantidade e o tipo dessas impurezas devem ser cuidadosamente controlados durante a produção de semicondutores estrangeiros.

A impureza crescente é determinada por um aumento no número de elétrons livres ou no número de lacunas no cristal semicondutor.

Dependendo do tipo de impureza adicionada, os semicondutores de impureza são classificados da seguinte forma:

Semicondutor tipo N
Semicondutor tipo P

Semicondutor tipo N

Quando uma quantidade menor de impurezas pentavalentes é adicionada a um semicondutor puro, ele é chamado de semicondutor tipo n. (N significa negativo).

A adição de impurezas pentavalentes fornece muitos elétrons livres no cristal semicondutor.

O exemplo comum de impurezas pentavalentes são o arsênico (AS) e o antimônio (Sb). Tais impurezas que produzem semicondutores do tipo n são chamadas de impurezas doadoras porque doam ou fornecem elétrons livres ao cristal semicondutor.

Desenvolvimento de um semicondutor tipo N

É criado quando um material pentavalente como o antimônio é adicionado a um cristal de gerânio puro. Conforme mostrado na figura, cada átomo de antimônio forma ligações covalentes com os quatro átomos de gerânio circundantes usando quatro de seus cinco elétrons.

Praticamente todo átomo de antimônio introduzido na rede do germânio contribui com um elétron de condução sem criar um buraco positivo.

A figura mostra a descrição da banda de energia de semicondutores do tipo n. A adição de impurezas pentavalentes criou vários elétrons na banda de condução. Ou seja, elétrons livres

Semicondutores intrínsecos tipo P

Quando uma pequena quantidade de impurezas trivalentes é adicionada a um semicondutor puro, ele é chamado de semicondutor tipo P. (P significa positivo)

A adição de impurezas trivalentes resulta em numerosos buracos no semicondutor.

Exemplos comuns de impurezas trivalentes incluem gálio (Ga), índio (Id) e boro (B). Tais impurezas que criam semicondutores do tipo P são impurezas aceitadoras porque os buracos resultantes podem aceitar elétrons.

Este tipo de semicondutor é formado quando vestígios de uma impureza trivalente, como o boro (B), são adicionados a um cristal de germânio puro.

Resistência no circuito de corrente alternada

Portanto, o boro, uma chamada impureza aceitadora, causa muitos buracos positivos em um cristal de germânio devido à presença de átomos de boro, fornecendo assim um semicondutor de impureza do tipo P.

A figura acima mostra a descrição da banda de energia do semicondutor tipo P. A adição de impurezas trivalentes criou um grande número de buracos. No entanto, alguns elétrons da banda de condução são devidos à energia térmica associada à temperatura ambiente. No entanto, os buracos são mais numerosos que os elétrons da banda de condução.

Princípio da eletrônica

Abaixo está uma representação esquemática da ligação de energia de um semicondutor intrínseco à temperatura ambiente:

Os elétrons livres são criados pela quebra de várias ligações covalentes usando energia térmica. Buracos também aparecem nas ligações covalentes. Sob o efeito do campo elétrico, tanto os elétrons livres quanto as lacunas são conduzidos através do semicondutor. Portanto, a corrente total no semicondutor é a soma das correntes devidas aos elétrons livres e lacunas.

Conclusão

O mundo dos semicondutores é uma mistura diversificada de materiais, cada um contribuindo à sua maneira para o desenvolvimento da eletrônica. À medida que continuamos a ultrapassar os limites do que é possível, desde processadores mais rápidos até uma conversão de energia mais eficiente, estes materiais permanecem na vanguarda da inovação. Compreender a vasta diversidade de semicondutores não é apenas uma viagem pela ciência; é uma viagem pela história e pelo futuro da própria tecnologia – uma viagem que nos aproximará cada vez mais das possibilidades inimagináveis da eletrónica.