Semicondutores: Uma Visão Geral
Os semicondutores são materiais inorgânicos ou orgânicos com a capacidade de controlar sua condução elétrica. Essa capacidade depende de diversos fatores como estrutura química, temperatura, iluminação e a presença de dopantes. A movimentação de elétrons livres e buracos em sua estrutura cristalina é descrita pelas leis da mecânica quântica. Eles são classificados em dois tipos principais com base em suas propriedades eletrônicas: Semicondutores Intrínsecos e Semicondutores Extrínsecos (dopados).
Tipos de Semicondutores
Semicondutores intrínsecos são materiais puros, sem dopagem intencional, e sua condução ocorre principalmente devido a excitação térmica de elétrons. Já os semicondutores extrínsecos são dopados intencionalmente para alterar suas propriedades elétricas, dividindo-se em semicondutores tipo-p (com predominância de buracos) e tipo-n (com predominância de elétrons).
Propriedades e Aplicações
Os semicondutores possuem condutividade elétrica entre condutores e isolantes, com uma lacuna de energia (band gap) de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). Esta lacuna de energia é crucial para suas propriedades e aplicações em dispositivos eletrônicos como transistores, diodos e circuitos integrados; células solares; iluminação LED; eletrônica de potência; e sensores.
Características dos Semicondutores
Algumas características importantes dos semicondutores incluem sua condutividade variável, dependência da temperatura, sensibilidade à luz e presença de portadores de carga minoritários, como elétrons e buracos. A dopagem é uma técnica crucial para modificar as propriedades elétricas dos semicondutores, introduzindo elétrons ou buracos adicionais no material.
Semicondutores Intrínsecos e Dopados
Os semicondutores intrínsecos são puramente formados por um único elemento, como Silício ou Germânio. Por outro lado, os semicondutores dopados (extrínsecos) têm impurezas intencionais adicionadas para alterar suas propriedades elétricas. Os dopantes podem ser classificados como aceitadores de elétrons (tipo-p) ou doadores de elétrons (tipo-n).
Materiais Semicondutores
Os materiais semicondutores mais conhecidos incluem Silício (Si) e Germânio (Ge), embora existam muitos outros tipos, tanto naturais quanto sintetizados. Esses materiais são fundamentais em diversas aplicações tecnológicas, desde a detecção de partículas carregadas e raios-X até o uso em dispositivos de espectroscopia de raios gama.
Semicondutor Intrínseco – Semicondutor Puro
Um semicondutor intrínseco é completamente puro, sem dopantes significativos, e a quantidade de portadores de carga é determinada pelas propriedades do material em vez do número de impurezas. Exemplos incluem Silício e Germânio puros. A lacuna de energia varia entre materiais, como Diamante, com uma grande lacuna de energia, e Germânio, com uma pequena lacuna, exigindo operação em temperaturas criogênicas.
Semicondutores Extrínsecos – Semicondutores Dopados
Semicondutores extrínsecos são intencionalmente dopados para modular suas propriedades. A dopagem envolve a introdução de impurezas em um semicondutor intrínseco para alterar suas propriedades elétricas. Esses dopantes fornecem portadores de carga adicionais, como elétrons ou buracos, aumentando a condutividade do material.
Junção P-N – Junção Polarizada Reversa
A detecção de radiação em semicondutores opera melhor sob tensão aplicada na direção de polarização reversa. Isso aumenta a espessura da região de depleção, tornando-a sensível à radiação ionizante. Detetores de Germânio, por exemplo, têm uma estrutura p-i-n, sendo a região i sensível à radiação.
Teoria dos Semicondutores
A teoria dos semicondutores baseia-se no comportamento de elétrons e buracos em uma estrutura de rede cristalina. A estrutura eletrônica de banda descreve os níveis de energia que os elétrons podem ter, bem como as lacunas de energia onde os estados eletrônicos são proibidos. A condutividade dos semicondutores intrínsecos é determinada pela concentração intrínseca de elétrons livres e buracos, que aumenta exponencialmente com a temperatura. Os semicondutores extrínsecos, dopados com impurezas, têm uma concentração muito maior de elétrons livres ou buracos, aumentando drasticamente sua condutividade.
