Materiais Semicondutores

Você já deve estar sabendo que existem materiais que podem conduzir a corrente elétrica com maior facilidade, como por exemplo, os metais que são chamados de condutores.

Por outro lado, existem materiais em que a corrente elétrica não pode passar, pois os portadores de cargas não têm mobilidade e que são denominados isolantes.

Entre os isolantes, podem ser destacados os plásticos, o vidro, a mica e a borracha.

Num grupo intermediário, situado entre condutores e isolantes existem alguns materiais que não são nem bons condutores e nem isolantes, e entre os elementos químicos com estas características existem os dois mais importantes, que são o germânio (Ge) e o silício (Si).

Pare um pouquinho a leitura e observe a imagem abaixo, essa figura mostra a posição relativa dos materiais em relação a condutividade.

Existem outros elementos semicondutores que são também muito importantes para a eletrônica, como o Selênio (Se) e o Gálio (Ga).

A principal característica que nos interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4 elétrons na sua última camada e que eles se dispõem numa estrutura ordenada conforme mostra a figura abaixo que mostra a estrutura de uma rede cristalina.

O Germânio e o Silício formam então cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da última camada.

Se alguém resolver consultar livros de química que estudou no ginásio verá que os átomos dos diversos elementos que existem na natureza têm uma tendência natural em obter um equilíbrio quando sua última camada adquire o número máximo de elétrons que é 8.

Assim, formando um cristal, tanto o Germânio como o Silício fazem com que os átomos, um ao lado do outro possam compartilhar os elétrons havendo sempre 8 átomos em torno de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para o material.

O fato é que os elétrons ficam tão firmemente presos aos átomos nestas condições que não tendo mobilidade não podem funcionar como portadores de cargas e com isso transmitir a corrente elétrica com facilidade.

Por este motivo, o Silício e o Germânio quando puros, na forma cristalina, apresentam uma resistência elétrica muito alta, muito mais próxima dos isolantes do que propriamente dos condutores, se bem que numa faixa intermediária ainda.

Nesta forma cristalina de grande pureza o Silício e o Germânio não servem para a elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando são adicionadas certas “impurezas” ao material.

Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento que tenha número diferente de 4 elétrons na sua última camada e se faz em proporções extremamente pequenas, da ordem de poucas partes por milhão (ppm).

Existem duas possibilidades de incluir as impurezas:

1) Elementos com átomos dotados de 5 elétrons na última camada.

2) Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada.

Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura cristalina, sobra um que, que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e que por isso pode servir como portador de cargas.

O resultado é que a resistividade ou capacidade do material de conduzir a corrente se altera e o Germânio ou o Silício dopados desta forma, se tornam bons condutores de correntes elétricas.

Como o transporte das cargas é feito neste material pelos elétrons que sobram ou pelos elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela adição deste tipo de impureza, recebe o nome de semicondutor do tipo N (N de negativo).

Na segunda possibilidade, adiciona-se uma impureza cujos átomos tenham 3 elétrons na sua última camada, como por exemplo o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura desejada.

É importantante observar que no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, ou buraco.

Este buraco que sobra também funciona como um portador de cargas, pois os elétrons que queiram se movimentar através do material podem pular de buraco em buraco, dessa forma encontram um percurso com pouca resistência.

Como os portadores de carga neste caso são os buracos, e a falta de elétrons corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material semicondutor assim obtido é do tipo P (P de positivo).

Com base nesse conhecimento, podem ser formados materiais semicondutores do tipo P e do tipo N tanto com elementos como o Germânio e o Silício, como alguns outros elementos que encontram muitas aplicações na eletrônica.

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