Como semicondutores funcionam e quais suas aplicações

Todos os componentes eletrônicos começam com dispositivos semicondutores, neste artigo vamos entender um pouco mais sobre semicondutores e suas aplicações. A tecnologia moderna é possível graças a uma classe de materiais chamados semicondutores. 

Todos os componentes ativos, circuitos integrados, microchips, transistores, além de muitos sensores, são construídos com materiais semicondutores. 

Embora o silício seja o material semicondutor mais amplamente utilizado e mais conhecido usado na eletrônica, uma ampla gama de semicondutores é usada, incluindo germânio, arseneto de gálio, carboneto de silício e semicondutores orgânicos. 

Cada material traz certas vantagens para a mesa, como a relação custo-desempenho, operação em alta velocidade, tolerância a altas temperaturas ou a resposta desejada a um sinal.

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A Resistencia Elétrica

A resistência elétrica é a oposição que os materiais têm à passagem da corrente elétrica. Essa resistência tem a ver com as características atômicas de cada material.

Tanto os materiais com grande oposição à passagem de corrente elétrica quanto os materiais que facilitam essa passagem tem grande emprego nos circuitos elétricos.

Além destas duas condições citadas, existem materiais que são um meio termo, estes são os semicondutores! Os materiais semicondutores são sensíveis às condições ambientais, eles possuem uma resistência elétrica que varia de acordo com a temperatura e com um processo chamado dopagem.

Em condições químicas normais, os materiais semicondutores não são capazes de conduzir energia elétrica. A constituição atômica dos semicondutores é tetravalente, o que significa que possuem apenas quatro camadas de valência, tornando-os elementos não estáveis.

Para tornarem-se condutores, os semicondutores precisam ter seus átomos agrupados, para ganharem estabilidade. Esse agrupamento ocorre quando existem ligações químicas covalentes, onde os átomos passam a ter oito elétrons, tornando-se condutores de eletricidade.

Os semicondutores tornam-se condutores graças à chamada banda proibida intermediária. Essa camada fica localizada entre a camada de valência e a camada de condução do átomo, região que, ao receber um campo elétrico, forma uma corrente elétrica.

Desta maneira ocorre a transição do estado isolante para o estado condutor, pois ao receber certa camada de energia, os elétrons tornam-se livres e vão da camada de valência para a camada de condução.

Os principais elementos semicondutores são o silício e o germânio, que possuem quatro elétrons na camada de valência em condições químicas normais.

Aplicação da Alteração dos estados dos Semicondutores

Como dito anteriormente, o semicondutor torna-se um condutor quando os seus elétrons se deslocam das camadas. Variar o estado do semicondutor, tornando possível este deslocamento dos elétrons, é possível de duas formas: variando a temperatura e pelo processo de dopagem.

• Variação da temperatura: o silício tem as suas camadas de bandas de valência preenchidas nas temperaturas mais baixas. Elevando-se a temperatura, estes elétrons libertam-se da última camada, tornando-se elétrons livres capazes de conduzir a energia elétrica.
• Processo de dopagem: a dopagem acontece quando é adicionada alguma impureza, ou seja, outro material, ao silício. Com esse processo é possível controlar os portadores de carga e modificar as propriedades condutoras do material.

Essa dopagem ainda pode ser dividida em dois tipos, o tipo N (negativo) e o tipo P (positivo).

• Dopagem tipo N: A impureza adicionada ao silício pode ser o fósforo ou o arsênio. Esses elementos possuem cinco elétrons na camada de valência. Os quatro elétrons do silício não estabelecem ligações com todos os elementos da camada do elemento acrescentado, desta maneira, sobra um elétron que se caracteriza por possuir carga negativa, denominando a dopagem como tipo N.
• Dopagem tipo P: A impureza adicionada ao silício pode ser o bóhrio ou o gálio. Esses elementos possuem apenas três elétrons na camada de valência. Os elementos do silício fazem as ligações com esses três elétrons, mas sobra um espaço. Esse espaço se caracteriza por possuir carga positiva, denominando a dopagem como tipo P.

Semicondutores: aplicações em detalhes

O que torna os semicondutores tão úteis é que os engenheiros controlam suas propriedades e comportamento elétricos durante o processo de fabricação. 

As propriedades do semicondutor são controladas pela adição de pequenas quantidades de impurezas no semicondutor através de um processo chamado doping, com diferentes impurezas e concentrações produzindo efeitos diferentes. 

Ao controlar o doping, a maneira como a corrente elétrica se move através de um semicondutor pode ser controlada.

Em um condutor típico, como o cobre, os elétrons carregam a corrente e agem como portadores de carga. Nos semicondutores, elétrons e orifícios – a ausência de um elétron – atuam como portadores de carga. 

Ao controlar o doping do semicondutor, a condutividade e o transportador de carga são adaptados para serem baseados em elétrons ou em furos.

Existem dois tipos de dopagem, de tipo N e de tipo P. Dopantes do tipo N, tipicamente fósforo ou arsênico, têm cinco elétrons, que quando adicionados a um semicondutor fornecem um elétron livre extra. 

Como os elétrons têm carga negativa, um material dopado dessa maneira é chamado de tipo N. 

Os dopantes do tipo P, como o boro e o gálio, têm apenas três elétrons que resultam na ausência de um elétron no cristal semicondutor, criando efetivamente um buraco ou uma carga positiva, daí o nome do tipo P. 

Os dopantes do tipo N e do tipo P, mesmo em pequenas quantidades, tornarão um semicondutor um condutor decente. 

No entanto, os semicondutores do tipo N e P não são muito especiais por si só, sendo apenas condutores decentes. No entanto, quando você os coloca em contato, formando uma junção PN, você obtém comportamentos muito diferentes e muito úteis.

O diodo de junção PN

Uma junção PN, diferente de cada material separadamente, não age como um condutor. Em vez de permitir que a corrente flua em qualquer direção, uma junção PN apenas permite que a corrente flua em uma direção, criando um diodo básico. 

A aplicação de uma tensão através de uma junção PN na direção direta (polarização direta) ajuda os elétrons na região do tipo N a se combinarem com os orifícios na região do tipo P. 

Tentar reverter o fluxo de corrente (polarização reversa) através do diodo força os elétrons e os orifícios, o que impede que a corrente flua através da junção. A combinação de junções PN de outras maneiras abre as portas para outros componentes semicondutores, como o transistor.

Semicondutores: Transistores e suas aplicações

Um transistor básico é feito da combinação da junção de três materiais do tipo N e P, em vez dos dois usados ​​em um diodo. 

A combinação desses materiais produz os transistores NPN e PNP, conhecidos como transistores de junção bipolar ou BJTs. 

A região central ou base BJT permite que o transistor atue como um comutador ou amplificador.

Enquanto os transistores NPN e PNP podem parecer dois diodos colocados um contra o outro, o que impediria toda a corrente de fluir em qualquer direção. 

Quando a camada central é polarizada para frente, de modo que uma pequena corrente flua através da camada central, as propriedades do diodo formado com a camada central mudam para permitir que uma corrente muito maior flua por todo o dispositivo. 

Esse comportamento fornece ao transistor a capacidade de amplificar pequenas correntes e de atuar como um interruptor que liga ou desliga uma fonte de corrente.

Uma variedade de tipos de transistores e outros dispositivos semicondutores resultam da combinação de junções PN de várias maneiras – desde transistores avançados de funções especiais a diodos controlados. 

A seguir, são apresentados alguns dos componentes feitos a partir de combinações cuidadosas de junções PN:

• DIAC
• Diodo laser
• Diodo emissor de luz (LED)
• Diodo Zener
• Transistor de Darlington
• Transistor de efeito de campo, incluindo MOSFETs
• Transistor IGBT
• Retificador controlado por silicone
• Circuito integrado
• Microprocessador
• Memória digital – RAM e ROM

Semicondutores: Sensores e suas aplicações

Além do controle atual que os semicondutores permitem, eles também possuem propriedades que produzem sensores eficazes. Eles podem ser feitos para serem sensíveis a mudanças de temperatura, pressão e luz. 

Uma mudança na resistência é o tipo mais comum de resposta para um sensor semicondutor. 

Alguns dos tipos de sensores possibilitados pelas propriedades dos semicondutores estão listados abaixo.

• Sensor de efeito Hall (sensor de campo magnético)
• Termistor (sensor de temperatura resistivo)
• CCD / CMOS (sensor de imagem)
• Fotodiodo (sensor de luz)
• Fotoresistor (sensor de luz)
• Piezoresistivo (sensores de pressão / deformação)

Estas são apenas algumas informações breves sobre semicondutores e suas aplicações aplicações.

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Perguntas Frequentes

Onde são utilizados os materiais semicondutores?

Muito utilizados em equipamentos eletrônicos, os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com grande facilidade. Os semicondutores podem ser de silício ou germânio, utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos, como, por exemplo, os transistores.

Como funcionam os materiais semicondutores?

Um componente semicondutor pode funcionar como um condutor ou como um isolante, dependendo da tensão aplicada em seus terminais. Os materiais semicondutores são feitos em laboratório a partir de estruturas cristalinas de Silício ou de Germânio puras que são dopadas com impurezas, ou seja, outros elementos químicos.

O que é um material semicondutor?

Os semicondutores são materiais que possuem baixa condutividade elétrica. Esses elementos estão entre os condutores e isolantes, e são capazes de mudar sua condição de condução elétrica com facilidade.

Quais os tipos de semicondutores?

Os materiais que em determinada situação são isolantes e em outra são condutores são classificados como semicondutores. O silício e o germânio são os semicondutores mais utilizados no mercado.

Quais as principais aplicações dos semicondutores?

Muito utilizados em equipamentos eletrônicos, os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com grande facilidade. Os semicondutores podem ser de silício ou germânio, utilizados para a fabricação de componentes eletrônicos, como, por exemplo, os transistores.11 de mar. de 2020