Semicondutor

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Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes, ao contrário do comportamento observado nos metais. Contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se consideravelmente aquecidos.

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem). A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle de correntes elétricas.

Quando intrínsecos, possuem em sua composição tipicamente elemento ou combinação de elementos que lhes confiram uma estrutura covalente com todos os orbitais eletrônicos ligantes de todos os átomos sempre completos. Não há por tal portadores de carga elétrica estruturalmente livres quando puros. Quimicamente viáveis há os semicondutores do grupo IV (ver tabela periódica), como os de germânico ou, com vantagens à temperatura ambiente, os de silício; do grupo III-V, com destaque para o arseneto de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arseneto de índio, e certamente outros com estequiometrias mais sofisticadas. Os elementos no composto devem aparecer sempre dispostos em estrutura cristalina sem falhas ou imperfeições, o que justifica o emprego de técnicas de produção elaboradas e especialmente desenvolvidas para garantir tal simetria.

A dopagem é feita utilizando-se elementos diferentes dos que integram a rede semicondutora, usualmente os elementos da coluna III (para semicondutores tipo P) ou da coluna V (para semicondutores tipo N). É contudo também comum o emprego de elementos de outras colunas, incluso a coluna IV, tanto para a obtenção de semicondutores do tipo P como do tipo N.

Os semicondutores são em muito pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica.

Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

História[editar | editar código-fonte]

Em 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos. Os primeiros elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes iniciou pesquisas no efeito semicondutor, a princípio como curiosidade, pois foi percebido ao acaso pelo cientista.

Embora Hughes não conhecesse o trabalho de James Clerk Maxwell, descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Em função de suas experiências acabou por inventar o detector eletromagnético por efeito semicondutivo, o diodo.

Introdução[editar | editar código-fonte]

De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin)ou (-273,15 °C) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de energia mais alta, isto é a banda de valência.

Um facto conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'libertá-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é dezenas de vezes maior. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons.

Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de condução. Os buraco também chamados de lacunas que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão importante que este buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do elétron, e-

Poços, fios e pontos quânticos[editar | editar código-fonte]

A principal diferença entre os condutores sólidos é o chamado gap de energia. Ele define qual material é um condutor. Considerando que o gap é a energia necessária para a transição da banda de valência para a banda de condução, quanto menor o gap, mais fácil de promover um elétron de uma banda para a outra e com isso aumentar a condução desse material. Os metais possuem sobreposição de suas bandas, o que permite a livre passagem de elétrons (os chamados, elétrons livre), isso é, não há o gap impedindo a corrente elétrica (O que explica o porquê da temperatura alta atrapalhar a passagem de corrente). Já os semicondutores, possuem um gap grande quando comparados aos metais, portanto a condução nesses materiais fica condicionada à energia de excitação dos elétrons, ou seja, quanto maior a temperatura maior será a energia térmica dos elétrons e com isso mais elétrons serão promovidos à banda de condução, aumentando assim a condutividade do material. Cada um dos tipos conhecidos de semicondutores possui um Gap característico.

Esta diferença nos gaps permite, através do uso de semicondutores diferentes, criar-se corredores onde é possível prender os elétrons e restringir seus movimentos. Isto é feito através de sanduíches de semicondutores. Um fatia muito fina (da ordem de algumas dezenas de angstrons) é prensada entre dois 'pães' de material semicondutor com Gap de energia maior que o suficiente para pular para a banda de condução dos 'pães'. Portanto na direção perpendicular ao 'recheio' eles ainda estão confinados à banda de valência. As propriedades destes elétrons, devido à restrição de movimento ao plano do 'recheio' e ao tamanho da fatia, podem ser bastante diferentes do semicondutor original. A estrutura obtida desta forma é chamada de poço quântico, apesar de na verdade ser um plano quântico.

A ideia do plano foi estendida para uma verdadeira geometria quântica com retas e pontos.

Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente.

Fios quânticos[editar | editar código-fonte]

Os fios quânticos são formados da mesma maneira que os poços. Para isto é removida um fatia muito fina do 'sanduíche' (levando o 'pão' e recheio) e prensando-a novamente entre outros semicondutores de forma a confinar o movimento dos elétrons a apenas uma direção. Isto cria um fio quântico.

Se agora o processo for novamente repetido, removendo-se um pedaço do fio de prensado-o entre novas camadas de semicondutores, o que temos no final é uma pequena porção de matéria (ex. semicondutor) na qual seus elétrons e buracos estão confinados tridimensionalmente. Esta nanoestrutura é chamada de ponto quântico.

O termo quântico é usado para descrever estes dispositivos porque a dimensão da largura de confinamento causa uma re-discretização dos níveis de energia criando bandas de energia artificiais e controláveis em laboratório. E é neste controle fino dos novos níveis de energia que reside toda a importância destes dispositivos. As propriedades eletrônicas dos elétrons nestas estruturas podem ser construídas e os dispositivos planejados como uma projeto de engenharia. As propriedades destes dispositivos são ainda objeto de estudo e provavelmente estes serão os componentes da eletrônica do futuro.

Ver também[editar | editar código-fonte]