Como Funcionam os Semicondutores
Os semicondutores são materiais inorgânicos ou orgânicos que possuem a capacidade de controlar sua condução elétrica com base em sua estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. A origem do termo “semicondutor” deriva do fato de que estes materiais possuem uma condutividade elétrica intermediária entre um metal, como cobre ou ouro, e um isolante, como o vidro. Eles apresentam uma lacuna de energia menor que 4eV (aproximadamente 1eV).
A Lacuna de Energia nos Semicondutores
Na física do estado sólido, a lacuna de energia, ou banda proibida, é uma faixa de energia situada entre a banda de valência e a banda de condução, onde não é permitido o estado dos elétrons. Diferentemente dos condutores, os elétrons dos semicondutores precisam adquirir energia, por exemplo, de radiação ionizante, para atravessar a banda proibida e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela lacuna de energia entre as bandas de valência e de condução.
Condutividade Elétrica dos Semicondutores
Há várias maneiras pelas quais um elétron em um material semicondutor pode ser excitado para a banda de condução, onde pode se mover livremente e transportar corrente elétrica. Algumas das formas mais comuns incluem:
Energia Térmica: Com o aumento da temperatura, alguns elétrons na banda de valência podem ganhar energia térmica suficiente para se libertarem e se moverem para a banda de condução. Este fenômeno é conhecido como excitação térmica.
Radiação Eletromagnética: A radiação eletromagnética, como luz ou outras formas de radiação, também pode excitar elétrons para a banda de condução. Quando fótons com energia igual ou superior à energia da lacuna de banda do semicondutor são absorvidos pelo material, elétrons podem ser excitados para a banda de condução, criando pares elétron-lacuna.
Dopagem: A dopagem de um material semicondutor com impurezas cria excesso de elétrons ou lacunas no material, que podem contribuir para a condutividade elétrica. Por exemplo, um semicondutor do tipo n, dopado com um átomo doador como fósforo, cria elétrons excedentes.
Campo Elétrico: Um campo elétrico externo também pode excitar elétrons para a banda de condução. Quando uma tensão é aplicada através de um material semicondutor, cria-se um campo elétrico que acelera elétrons e lacunas em direções opostas, fazendo com que alguns elétrons se movam para a banda de condução.
Junção p-n
A junção p-n é formada quando duas regiões de um material semicondutor, dopadas de forma diferente, são unidas. Na junção p-n, os elétrons excedentes da região do tipo n e as lacunas da região do tipo p difundem através da junção e se combinam, criando uma região esgotada de portadores de carga chamada região de depleção. A junção p-n possui uma propriedade útil para a eletrônica moderna. Manipulando esta camada não condutiva, as junções p-n são comumente usadas como diodos.
Transistor de Junção Bipolar
O transistor de junção bipolar (TJB) é um dispositivo eletrônico de três terminais que pode amplificar ou comutar sinais eletrônicos. É formado pela junção de três camadas de material semicondutor: uma camada do tipo n, uma do tipo p e outra do tipo n (em um TJB NPN) ou do tipo p (em um TJB PNP). As três regiões do TJB são chamadas de emissor, base e coletor. O TJB opera controlando o fluxo de portadores de carga do emissor para o coletor usando uma pequena corrente na base.
Materiais para Semicondutores
Segue uma tabela com 3 semicondutores intrínsecos e 2 semicondutores do tipo p e n, junto com 4 propriedades chave:
Semicondutor Tipo Lacuna de Banda (eV) Mobilidade de Elétrons (cm²/Vs) Mobilidade de Lacunas (cm²/Vs) Condutividade Térmica (W/mK)
Silício (Si) Intrínseco 1.12 1500 450 150
Germânio (Ge) Intrínseco 0.67 3900 1900 60
Arsenieto de Gálio (GaAs) Intrínseco 1.43 8500 400 46
Silício dopado com Boro (p-Si) p-tipo 1.12 1500 1800 150
Silício dopado com Fósforo (n-Si) n-tipo 1.12 1500 4500 150
Tipos de Semicondutores
Os semicondutores podem ser classificados em dois tipos básicos com base em suas propriedades eletrônicas:
Semicondutores Intrínsecos: São semicondutores puros feitos de um único elemento e sem dopagem intencional com impurezas.
Semicondutores Extrínsecos: São semicondutores impuros intencionalmente dopados com impurezas para alterar suas propriedades eletrônicas, podendo ser do tipo p ou n.
Teoria dos Semicondutores
A teoria dos semicondutores é baseada no comportamento de elétrons e lacunas em uma estrutura de rede cristalina. Esta teoria é conhecida como estrutura de bandas eletrônicas. A estrutura de bandas de um sólido descreve o intervalo de níveis de energia que os elétrons podem ter, assim como os intervalos de energia que não podem ter (bandas proibidas). Semicondutores têm uma banda de valência, que é a banda de energia mais alta completamente preenchida por elétrons, e uma banda de condução, que é a próxima banda de energia mais alta, vazia ou parcialmente preenchida por elétrons. A lacuna de energia entre a banda de valência e a banda de condução é chamada de lacuna de banda.
