1. SEMICONDUTORES

Os materiais são denominados semicondutores quando, à temperatura ambiente, têm a sua condutividade compreendida entre as dos metais e a dos isolantes. Os representantes mais importantes entre os semicondutores são o germânio e o silício. A condutividade de um material depende da quantidade de elétrons livres e da velocidade média destes elétrons na rede. Devemos lembrar que para trocar de estado, um elétron precisa absorver ou liberar uma quantidade bem definida de energia. Esta transição de estado é conhecida como transição ou salto quântico. Voltando aos estados permitidos para um átomo, vemos que esta energia será maior quanto mais afastado do núcleo estiver o elétron. A energia de uma partícula ou de uma onda está relacionada à sua frequência: quanto maior a frequência, maior a energia. A energia requerida para um elétron

assumir um estado de maior frequência é dada por:   onde h é a constante de Planck (6,626x10-34 J.s);  é a frequência; c é a velocidade da luz e  é o comprimento de onda da radiação. Portanto, ao ganhar energia (calor, luz), o elétron aumenta sua frequência e distancia-se do núcleo, ficando mais fracamente preso a ele. Nas bandas de maior energia, considera-se que a ligação ao núcleo é tão fraca que o elétron fica livre para transitar pelo material (conduzir corrente). Neste mecanismo reside a principal diferença entre materiais condutores e isolantes. Nos condutores, a energia necessária para um elétron passar das bandas próximas ao núcleo às mais externas é baixa, e a probabilidade de encontrarmos elétrons livres à temperatura ambiente é alta (elétrons livres, facilidade de conduzir). Nos isolantes, a energia necessária para um elétron passar das bandas próximas ao núcleo às mais externas é alta, e a probabilidade de encontrarmos elétrons livres à temperatura ambiente é baixa (poucos elétrons livres, dificuldade de conduzir).Em alguns materiais, no entanto, a energia de transição possui um valor intermediário. A probabilidade de transição e a quantidade de elétrons livres à temperatura ambiente fazem desses materiais maus condutores, mas não isolantes, ou seja, estes materiais são semicondutores. Como mostra a figura1, a faixa de energia que separa duas bandas permitidas de energia (Eg) é chamada de banda proibida do material (ou bandgap). No caso de um salto para energias mais altas, Eg representa a energia necessária que um elétron ligado ao átomo deve receber para passar para a banda de condução. Quanto mais isolante o material, maior sua banda proibida, maior a energia necessária para "libertar" os elétrons. Assim, é a faixa de energia proibida que caracteriza o comportamento elétrico do material. Se a largura da faixa proibida Eg for de grande amplitude (valores típicos ~ 6EV), teremos um isolante; se tivermos Eg com valores típicos em torno de 1 eV o material será um semicondutor; se Eg<0, ou seja, se houver superposição das faixas de energias permitidas, teremos um condutor. A faixa que contém os elétrons de valência é denominada banda de valência e é formada dos níveis de energia normalmente ocupados na camada exterior de um átomo discreto. Um material semicondutor a uma temperatura de 0 K tem sua banda de valência completa e nenhum elétron na banda de condução. Nesta situação, o material não é um bom condutor de eletricidade. Conforme a temperatura aumenta, alguns elétrons adquirem energia necessária para deixarem a banda de valência e chegarem à banda de condução. (Obviamente, a condutividade aumenta, pois agora temos elétrons livres disponíveis no material.)

Figura 1 - Diferença entre materiais isolantes, semicondutores e condutores.

Ec é o nível mais baixo de energia na banda de condução; Ev é o nível mais alto de energia na banda de valência. Eg é a diferença entre estes valores e representa uma região onde não há níveis de energia eletrônicos (banda proibida). O silício é um dos semicondutores mais importantes para a eletrônica e assim como o germânio possuem quatro elétrons na última camada (pertencem ao

grupo 4 A da tabela periódica).

Observe que, após a transição, além dos elétrons livres na banda de condução, resulta também o mesmo número de estados vazios na banda de valência. Esta observação é extremamente

importante, pois estes estados vazios são chamados de lacunas e comportam-se como se fossem cargas livres positivas (em um gás ionizado são chamados de íons positivos). 

Podemos afirmar que o aumento de energia no semicondutor provoca a formação de pares elétrons-lacunas. Quando uma tensão (campo elétrico) é aplicada ao material, uma força age sobre

os elétrons provocando uma corrente de elétrons na banda de condução. Os elétrons podem se deslocar com facilidade na banda de condução, pois a energia necessária para passar de um

estado a outro dentro da banda é pequeno. De forma similar, os elétrons na banda de valência também necessitam de pouca energia para passar de um estado permitido para outro; basta que

haja uma lacuna nas proximidades (veja figura 2). Com a criação de lacunas na banda de valência, alguns elétrons terão estados vagos na vizinhança, podendo ocupá-los quando "empurrados" pelo campo em sua direção. Ou seja, uma corrente de elétrons também é criada na banda de valência. Se, ao invés dos elétrons, focalizarmos as lacunas, podemos interpretar a corrente na banda de

valência como um movimento de lacunas no sentido contrário.

 

Figura 2 - Um campo elétrico aplicado a um semicondutor produz condução elétrica devido ao movimento dos elétrons na banda de condução e das lacunas na banda de

valência.

Antes, porém, de investigarmos sobre os aceleradores de partículas, é preciso entender os princípios básicos de aceleração e confinamento magnético de portadores de carga.

2. DOPAGEM DE SEMICONDUTORES

Semicondutores como o silício e o germânio pertencem ao grupo IV da tabela periódica (possuem quatro elétrons na última camada - veja figura 1). Na fase cristalina, cada átomo do silício compartilha seus quatro elétrons de valência com quatro vizinhos, preenchendo totalmente os estados de valência (no zero absoluto - 0 K). Se adicionarmos alguns átomos do grupo V (fósforo, arsênico, antimônio, bismuto) em substituição a átomos de silício na rede, quatro elétrons de valência destes átomos serão utilizados nas antigas ligações do átomo de silício, mas sobra um. Como mostra a figura 3, no caso de doparmos um cristal de silício com arsênico (As), os elétrons em excesso ficam num nível entre a banda de condução e a banda de valência e próximo da banda de condução.

 

Figura 3 - Geração de elétrons livres pela introdução de impurezas do tipo N, em um cristal de silício. Assim, em um semicondutor do tipo N, os portadores majoritários de

corrente são elétrons livres.

Desse modo, os elétrons estão fracamente ligados ao nível "doador" e por isso passam facilmente para a banda de condução. Por outro lado, se adicionarmos alguns átomos do grupo III (alumínio, boro, gálio, índio) em substituição aos átomos de silício na rede, apenas três elétrons destes átomos serão utilizados nas antigas ligações do átomo de silício que ele substituiu. E um elétron ficará faltando nas ligações, criando uma lacuna na banda de valência, como mostra a figura 4. A adição de átomos de outros elementos na estrutura cristalina de um material é chamada DOPAGEM, que, como vimos, objetiva simplesmente termos um controle sobre o fluxo de portadores de carga pela junção alterando o gap de energia.

 

Figura 4 - Geração de lacunas pela indrodução de impurezas do tipo P, em um cristal de silício. Assim, num semicondutor tipo p, os portadores majoritários de corrente são

lacunas.

Os átomos adicionados são chamados de IMPUREZAS. Nos exemplos acima, a adição de átomos do grupo V constitui uma dopagem tipo N. O arsênico é uma impureza tipo N para o silício. A adição de átomos do grupo III constitui uma dopagem tipo P. O gálio é uma impureza tipo p para o silício. A Figura 5 resume o que foi exposto nesta seção.

Figura 5 - Resumo do processo de dopagem de materiais semicondutores.

http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/index.htm

3. JUNÇÕES P-N - DIODO SEMICONDUTOR

O princípio de funcionamento de dispositivos eletrônicos, como díodos retificadores e transistores, baseiam-se no comportamento de junções entre semicondutores tipo P e tipo N, denominadas de junção P-N. A junção tem a propriedade de um retificador eletrônico, isto é, faz com que um

fluxo de corrente elétrica tome somente uma direção, transformando, por exemplo, tensão alternada em tensão contínua (acesse http://www.youtube.com/watch?

v=Ipa_IaIb7o&feature=PlayList&p=41BBB8DE4F547392&index=3). Na prática, obtemos uma junção PN dopando um mesmo material com impurezas doadoras de um lado e impurezas

aceitadoras do outro. A diferença das concentrações de elétrons e lacunas nestes materiais gera um processo de deslocamento de cargas na junção dos dois tipos de semicondutores

(corrente de difusão). No equilíbrio, os elétrons do material tipo-N preenchem as lacunas do material tipo-P nas proximidades da junção, formando uma camada dupla de cargas fixas de

átomos dadores e aceitadores chamada de zona de depleção. A formação de cargas fixas nesta região dá origem a uma diferença de potencial de contato (Vo) ou barreira de potencial na zona de depleção. Desta forma, a região (ou zona) de depleção age como

uma barreira (resistência alta) impedindo que elétrons e lacunas continuem a atravessar o plano da junção, como mostra a figura 6. Este movimento de carga devido ao campo elétrico (Eo) criado na

junção devido às cargas fixas de doadores e aceitadores constitui uma corrente chamada de corrente de deriva (contrária a corrente de difusão). Assim, para que haja condução de

corrente pela junção, elétrons livres e lacunas em maioria nos diferentes semicondutores precisam vencer esta barreira de potencial, ou seja, precisam possuir energia maior que eVo.

Figura 6 - Junção de semicondutores do tipo P e do tipo N. A região de cargas fixas também é conhecida como região de depleção. Na simulação acessada no

sítio abaixo você pode monitorar o fluxo de portadores de carga por difusão e por deriva polarizando uma junção PN.

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

3.1 Polarização de diodos

a) Polarização inversa - Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção PN, isto é, ligando o polo positivo (+) no material tipo N e o polo negativo no material tipo P, dizemos que a junção está com polarização inversa, como mostra a figura 7. Napolarização inversa, somente uma pequena corrente da ordem do microampère, (corrente de fuga), flui através da junção. Para um aumento suficientemente grande da tensão inversa poderá ocorrer a ruptura do diodo, rompendo as ligações covalentes e gerando uma avalanche de elétrons da banda de valência do semicondutor tipo P, para a banda de condução do semicondutor do tipo N. Este efeito é aplicado no diodo Zener.

Figura 7 - Polarização inversa. É aplicada uma tensão de modo a aumentar a resistência da junção (aumenta a região de depleção).

Um diodo Zener é construído especialmente para trabalhar na tensão de ruptura, assim, é largamente utilizado como regulador de tensão e como proteção contra variações bruscas de tensão (Acesse http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_zener). No efeito Zener, o campo elétrico da camada de depleção pode aumentar até um ponto capaz de quebrar ligações covalentes gerando pares elétron-lacuna. No efeito avalanche, portadores minoritários cruzam a região de depleção e ganham energia cinética suficiente que podem quebrar ligações covalentes.

b) Polarização direta - Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o polo positivo(+) da bateria for colocado em contato com o marerial do tipo P e o polo negativo (-) em contato com o material do tipo N, como mostra a figura 8.

Figura 8 - Na polarização direta, é aplicada uma tensão de modo a diminuir a resistência da junção (diminui a região de depleção). 

Normalmente coloca-se uma resistência em série com o dispositivo para limitar a corrente pelo circuito.

Assim, um número maior de portadores majoritários consegue atravessar a junção (vencer a barreira de potencial, Vo, imposta pela junção), e a corrente pela junção é muito alta (veja figura 8). Como a região de depleção normalmente contém um número muito pequeno de portadores, é uma região de alta resistividade. Quando, porém, a largura desta região é reduzida pela aplicação de uma polarização direta, a resistência da região diminui o que é coerente com o fato de que uma alta corrente atravessa a junção. Para saber mais acesse: http://www.youtube.com/watch?v=gfmeTxqLeX0.

3.2 Curva característica de diodos semicondutores

A curva característica (figura 9) de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada (Vd) com a respectiva corrente elétrica (Id)que atravessa o diodo.

Figura 9 - Curva característica corrente-tensão de uma junção PN, mostrando que a junção tem uma alta condutividade quando é polarizada diretamente e praticamente

não conduz quando é polarizada inversamente. Neste caso também pode fluir uma corrente muito alta no sentido inverso ao da corrente direta quando a tensão inversa atingir a tensão de

ruptura da junção (efeito avalanche). Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo

Para uma junção PN, a corrente Id está relacionada com a tensão de polarização (Vd) pela relação:

          (1)

, onde   é o potencial termodinâmico (energia cedida ao portador de carga por meio do aumento da temperatura T) e k é a constante de Boltzmann (1,38 . 10-23 J/K). Io é a corrente de saturação reversa que é constante.   é um parâmetro que depende da corrente e traduz a perda de portadores de carga na junção por recombinação. Este parâmetro pode ser obtido pela linearização da curva na região exponencial próxima da tensão Vg, a partir da qual o diodo começa a conduzir apreciavelmente na polarização direta.

3.3 Diodos emissores de luz e fotodiodos (sensores)

Hoje em dia, os mostradores digitais estão em toda a parte, dos relógios de cabeceira aos fornos de micro-ondas, e seria difícil passar sem os raios invisíveis de luz infravermelha que vigiam as portas dos elevadores para que ninguém se machuque e fazem funcionar o controle remoto dos receptores de televisão. Em quase todos estes casos, a luz é emitida por uma junção PN funcionando como um diodo emissor de luz (LED- do inglês, Light-Emitting Diode).

a) Diodos emissores de luz (LED): quando um elétron da extremidade inferior da banda de condução preenche uma lacuna na extremidade superior da banda de valência, (um processo de perda de cargas conhecido como recombinação), uma energia Eg igual à diferença entre os dois níveis é liberada. Essa energia pode:

- Ser repassada a outro elétron (transição, emissão);- Ser repassada a rede na forma de vibração (fônon, calor);- Ser emitida na forma de radiação (fóton, luz).

No silício e no germânio, esta energia se manifesta na forma de vibração da rede cristalina. Mas no arseneto de gálio, a energia é emitida como um fóton de energia Eg dada por:

          (2)

onde e é a carga do elétron (1,6 . 10-19 C) e Vg é a diferença de potencial mínima para transportar o elétron da banda de condução para a banda de valência (tensão limiar). Na prática, cerca de 10% da energia Eg que fornecemos ao elétron é dissipada na forma de calor (devido à agitação térmica).

Ou seja, toda a energia fornecida ao elétron é utilizada para a mudança de banda e não sobra energia para a locomoção (a corrente gerada é nula). Esse é o princípio físico relativo ao funcionamento dos LED's, os quais normalmente emitem na faixa de luz visível ou na faixa infravermelho. Nos LED´s comerciais, Ga-As-P, por exemplo, a proporção entre fósforo e arsênio ajusta a largura do gap (Eg) de modo a haver emissão no visível. A figura 10 ilustra tipos de LEDs de várias cores, suas representações e com as respectivas características corrente-tensão pelo diodo.

 

Figura 10 - Tipos e características de LEDs, representação e suas cores. Fonte:Hallyday - 2007 (modificada) e Imagens Google.

a1) Diodos emissores de luz orgânicos - OLEDS: OLEDS (do inglês, Organic Light-Emitting Diode) são diodos emissores de luz que possuem um composto orgânico como camada emissora de luz. Estes materiais orgânicos podem ser moléculas numa fase cristalina, ou um polímero. OLEDs feitos com polímeros são bastante flexíveis e leves.

Figura 11 - Estrutura do diodo emissor de luz orgânico - OLED. Ao lado, uma aplicação moderna dos OLEDS em televisores. 

Fonte: http://electronics.howstuffworks.com/oled1.htm.

Possíveis aplicações: monitores flexíveis; fontes de luz; decorações em paredes; roupas luminosas. OLEDs têm sido usados para produzir displays para dispositivos eletrônicos portáteis, como celulares e câmeras digitais. Os OLEDs podem fornecer imagens mais nítidos e brilhantes em dispositivos eletrônicos e usam menos energia do que os LEDs convencionais ou telas de cristal líquido (LCDs) usados atualmente em televisores (veja figura 11).

b) O fotodiodo

Sensores: quando uma radiação incide no material e é absorvida pelos elétrons, eles realizam transições quânticas para estados de maior energia. Se a energia for superior à banda proibida, a radiação leva elétrons da banda de valência para a banda de condução e elétrons livres são gerados (corrente em resposta à luz - efeito fotoelétrico). Veja figura 12. Portanto, a sensibilidade do material é bem maior a radiações cujas energias (frequências) sejam superiores à da banda proibida. Quando o leitor aperta um botão do controle remoto de sua televisão, um LED emite uma sequência de pulsos de luz infravermelha. Estes pulsos são recebidos no aparelho de televisão por uma versão avançada de fotodiodo que não só detecta os sinais de infravermelho, mas também os amplifica e transforma em sinais elétricos, que são usados, dentre outras tarefas, para mudar o canal e ajustar o volume.

 

Figura 12 - Operação e representação de um fotodiodo. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo

c) O laser semicondutor: como vimos (figura 10), quando um elétron sofre uma transição da banda de condução para a banda de valência, pode emitir um fóton. Este fóton pode estimular um segundo elétron a passar para a banda de valência, produzindo um segundo fóton por emissão estimulada. Desta forma, se a corrente da junção for suficientemente elevada, uma reação em cadeia de eventos de emissão estimulada pode fazer com a junção PN se comporte como um Laser. Para isso, como mostra a figura 13, é preciso que as faces opostas do cristal semicondutor sejam planas e paralelas, fazendo com que a luz seja refletida repetidas vezes dentro do cristal. O uso de espelhos nesta região amplifica este efeito.

Figura 13 - Operação de um laser semicondutor. Fonte: Halliday (2007).

Os aparelhos de CD e DVD dispõem de um laser semicondutor cuja luz, após ser refletida em minúsculas reentrâncias do disco, é detectada e convertida em sinais de áudio e vídeo, respectivamente. Os lasers semicondutores também são muito utilizados em sistemas de comunicação por fibras ópticas. Para saber mais acesse: http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode

4. O TRANSISTOR

O transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais, utilizado para controlar sinais elétricos. As duas funções mais usuais de controle são a amplificação e o chaveamento. Existem muitos tipos de transistores; vamos discutir apenas um tipo especial conhecido como MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”). O MOSFET é um transistor de junção bipolar, e é considerado por muitos o componente mais importante da indústria eletrônica moderna. O material semicondutor mais usado na fabricação de transistores é o silício. O silício é preferível, essencialmente, porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas (175 oC, quando comparado com os ~75 oC dos transistores de germânio) e também porque apresenta correntes de fuga menores. O transistor de junção bipolar é formado por duas junções p-n em série, podendo apresentar as configurações p-n-p e n-p-n. A figura 14 mostra os transistores n-p-n que são mais comuns, basicamente, porque a mobilidade dos elétrons é muito superior à das lacunas, isto é, os elétrons movem-se mais facilmente ao longo da estrutura cristalina, o que traz vantagens significativas no processamento de sinais de alta frequência. E são, também, mais adequados à produção em massa. No entanto, deve-se referir que, em várias situações, é muito útil ter os dois tipos de transistores num circuito. Simule um NMOSFET acessando o sítio: http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/mosfet.html.

Figura 14 - Representação e operação de um transistor de junção bipolar (duas junções PN. Junção Base/Emissor e junção Base/Coletor).

Fonte: http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Os computadores e outros eletrodomésticos utilizam milhares (ou milhões) de transistores e outros componentes eletrônicos, como capacitores e resistores. Estes componentes não são montados um a um, mas incorporados a um único chip feito de material semicondutor, formando um circuito integrado. A figura 15 mostra um microprocessador Intel 2000 usado, principalmente, em computadores.

Figura 15 - Microprocessador Pentium, fabricado pela Intel Corporation. Fonte: http://computer.howstuffworks.com/microprocessor.htm