Noções básicas sobre semicondutores
O que são condutores e não condutores?
Quando se fala em “fluxo” de eletricidade (corrente elétrica), existem duas classes principais de materiais, a saber: condutores e não condutores (também chamados de isolantes). Os condutores conduzirão eletricidade livremente, enquanto que os não-condutores atuam como isoladores impedindo o fluxo de uma corrente elétrica.
Condutores
Uma corrente elétrica é composta pelo fluxo de elétrons. Isso significa que, para uma corrente fluir, os elétrons devem se mover livremente (ou quase) pelo material.
Mas não é qualquer elétron de um determinado átomo, que pode se mover. Somente o(s) elétron(s) da última órbita, em certas condições, tem essa possibilidade.
A figura 1 (átomo de cobre), há um único elétron na última órbita, chamado de elétron de valência, que, sob certas condições, pode escapulir dessa camada e tornar-se livre.
Essa é uma característica dos condutores (como o cobre), que podem ter na última órbita de 1 a 3 elétrons de valência.
Mas esses elétrons livres só fluirão através de um condutor, se houver algo externo para estimular seu movimento, caso contrário, esse movimento pode ser aleatório.
Para que os elétrons se movam em um determinado sentido é necessário aplicar um potencial de voltagem positivo (ddp) ao material, então esses "elétrons livres" deixam seu átomo original e viajam juntos através do material, formando um fluxo de elétrons, conhecido como corrente elétrica.
Geralmente metais são exemplos de bons condutores tais como Cobre, Alumínio, Prata, e vários outros materiais também conduzem em graus variados.
Semicondutores - Conceitos
Módulo 6
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O que são condutores
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O que são isolantes
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Par Elétron-Buraco
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Adicionando impurezas - Doping
Capítulo 4
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Capacitores
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Conceitos Básicos
Definição de Capacitor
Como funciona um capacitor
Símbolo do capacitor
Capacitância
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Tipos de Capacitor
Capacitores eletrolíticos
Capacitores cerâmicos e disco
Poliester e tântalo
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Como identificar valores de capacitores
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Código de cores de Capacitores
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Capacitores SMD
Código SMD para Capacitor de tântalo
Código de capacitores SMD eletrolíticos
Não condutores ou isolantes
Isolantes, por outro lado, são exatamente o oposto dos condutores.
Eles são feitos de materiais, geralmente não-metálicos, que têm muito poucos ou nenhum "elétrons livres" dentro de sua estrutura básica de átomos.
A figura 2 mostra um átomo de Neon que, por ter sua última camada completa com 8 elétrons, não pode receber nem doar qualquer elétron. Por isso não há movimento de elétrons e, este elemento comporta-se como isolante.
Os isolantes utilizados no dia a dia, não são elementos químicos isolados, mas, materiais compostos como a maioria dos plásticos, cerâmicas, vidro, borracha, etc., que são ótimos isolantes.
Resumindo, a característica básica de um material isolante, é que, mesmo quando aplicado uma diferença de potencial sobre esse material, muito poucos elétrons se moverão e muito pouca ou nenhuma corrente irá fluir.
Semicondutores
Como o nome sugere, um semicondutor não é nem um verdadeiro condutor nem um isolante, mas a meio caminho entre eles. Diversos materiais exibem essa propriedade e incluem Germânio (Ge), Silício (Si), entre outros.
Átomos com essas características, têm 4 elétrons livre ou de valência, costumam-se unir formando uma rede cristalina.
É assim por exemplo que, o Silício se encontra como um material sólido.
Esse tipo de ligação, embora dê estabilidade química ao Silício, por exemplo, faz com que o Silício puro seja um isolante.
A figura 3 representa um átomo de Silício e um de Germânio, observe que a última camada, em ambos, possui 4 elétrons.
Par elétron-buraco
Se houver um aumento de temperatura, em uma estrutura de átomos de Silício, por exemplo, elétrons de valência podem “saltar” de sua órbita. Imediatamente um buraco se forma no local onde estava esse elétron, figura 4.
Acontece que, logo que esses elétrons “pulam”, eles também vão perdendo energia, e então eles retornam a um desses buracos, deixados por um outro elétron.
Ao par “elétron que sai, buraco formado”, chamamos de par “elétron-buraco”
Em condições normais esse movimento é totalmente aleatório, a menos que, haja uma condição externa, como uma corrente elétrica.
Adicionando impurezas - Doping
Como visto, os semicondutores não são bons condutores, porém suas propriedades mudam muito significativamente, adicionando quantidades muito pequenas de outros elementos, chamadas de impurezas.
A condutividade do Silício, por exemplo, pode ser drasticamente aumentada e controlada, pela adição de impurezas a este semicondutor
Dois tipos de materiais podem ser adicionados “tipo n” e “tipo p”
Este processo de adição de átomos, que podem ser doadores de elétrons ou receptores de elétrons, a átomos de semicondutores, é chamado de Doping.
Tipos de semicondutores
Semicondutor Tipo-N
Para que o cristal de silício, por exemplo, conduza eletricidade, precisamos introduzir um átomo de impureza como Arsênio, Antimônio ou Fósforo na estrutura cristalina.
Esses átomos têm cinco elétrons externos em sua órbita mais externa para compartilhar com átomos vizinhos e são comumente chamados de impurezas “penta valentes”,
figura 5.
Isso permite que quatro dos cinco elétrons orbitais se unam aos átomos de silício vizinhos, deixando um "elétron livre" para se tornar móvel (fluxo de elétrons) quando uma tensão elétrica é aplicada.
Como cada átomo de impureza “doa” um elétron, os átomos “penta valentes” são geralmente conhecidos como “doadores”.
O material básico de semicondutor resultante tem um excesso de elétrons que transportam corrente, cada um com uma carga negativa, e é, portanto, referido como um semicondutor tipo N.
A figura 5 mostra estrutura de um semicondutor Tipo-N, adicionando-se um átomo de antimônio (impureza) como doador.
Semicondutor Tipo P
Neste caso introduzirmos uma impureza “Trivalente” (3 elétrons) na estrutura cristalina, como o Alumínio, Boro ou Índio, que têm apenas três elétrons de valência disponíveis em sua órbita mais externa.
Desta forma, uma quarta ligação não pode ser formada, como mostrado na figura 6.
Portanto, uma conexão completa não é possível, dando ao material semicondutor uma abundância de transportadores carregados positivamente conhecidos como buracos na estrutura do cristal onde os elétrons estão efetivamente ausentes, figura 6.
Como agora existe um buraco no cristal de silício, um elétron vizinho é atraído para ele e tentará se mover para dentro do buraco para preenchê-lo. No entanto, o elétron que preenche o buraco deixa outro buraco atrás dele enquanto se move, e assim por diante, dando a aparência de que os buracos estão se movendo como uma carga positiva através da estrutura cristalina, criando um fluxo de corrente.
O boro (símbolo B) é comumente usado como um aditivo trivalente, pois tem apenas cinco elétrons dispostos em três camadas em torno de seu núcleo, com o orbital mais externo tendo apenas três elétrons.
A dopagem de átomos de Boro faz com que a condução seja composta principalmente de portadores de carga positiva, resultando em um semicondutor do Tipo-P
