Isolantes e semicondutores[1]

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Isolantes e semicondutores[1]

  1. 1. IsolantesOs materiais iônicos e covalentes não possuem elétrons “livres”, pois os elétrons de suas camadasde valência estão localizados nas ligações químicas correspondentes, não estando assim “livres”para deixar os átomos dos quais fazem parte. Como consequência, estes materiais são condutoresextremamente ineficientes, sendo então chamados de isolantes. Existe uma semelhança entre osmovimentos eletrônicos nos isolantes e os movimentos atômicos nos materiais cristalinos.Vamos considerar o Carbono na forma de diamante, por exemplo, como esquematizado na figuraabaixo: Fig. 1- Movimentos eletrônicos em um sólido covalente (diamante): (a) Representação bidimensional; (b) Energia necessária para o movimento do elétron. (O ponto de mais baixa energia para cada elétron corresponde ao par covalente de ligação; o valor dessa energia atinge 6 eV, no caso do diamante.) Na figura acima, pode ser verificado que mais de seis eV de energia devem ser fornecidos pararemover cada elétron de sua posição de mais baixa energia e assim fazê-lo transportar unia carga.A probabilidade de um elétron receber a energia necessária para demovê-lo de sua posição estávelé extremamente baixa. Temperaturas mais altas fornecem uma quantidade adicional de energiaaos elétrons, aumentando assim sua energia cinética. Entretanto, mesmo com essa energiaadicional, continua a haver apenas uma pequena probabilidade para os movimentos eletrônicos e,consequentemente, a resistividade elétrica (e térmica) do diamante permanece elevada, o quecaracteriza este material como isolante elétrico (e térmico).A energia necessária para os movimentos eletrônicos não é a mesma para todos os sólidoscovalentes. O Silício, o Germânio e o Estanho cinzento, considerados como exemplos, têm amesma estrutura cristalina do diamante, mas têm condutividades mais elevadas (ou sejaresistividades mais baixas), como mostra a tabela abaixo: Tab. 1- Energias necessárias para os movimentos eletrônicos e resistividades correspondentes.- Condutividade Intrínseca: A condutividade desses materiais recebe o nome de condutividadeintrínseca, por resultar de pequenos deslocamentos eletrônicos nas estruturas cristalinas dessesmateriais, considerados puros, em termos de sua composição química. Como cargas elétricas sãodeslocadas de suas posições de menor energia, imperfeições eletrônicas são assim formadasnessas estruturas. 1
  2. 2. - DielétricosDiferentemente dos condutores elétricos, que conduzem cargas elétricas, muitos materiais deimportância em engenharia são usados como dielétricos ou como isolantes (não condutores).Os materiais dielétricos não transportam carga elétrica, mas não são isolantes inertes. A aplicaçãode um campo elétrico externo pode deslocar cargas eletrônicas e iônicas de suas posições normaisna estrutura interna do material, fazendo com que este fique externamente polarizado.Esse comportamento pode ser comparado à deformação mecânica elástica, pois as cargas assimdeslocadas retornam à sua posição original, quando o campo elétrico externo é removido.- Condensadores (ou Capacitores)Um condensador, ou capacitor, é um dispositivo para acumular carga elétrica, sendo basicamentecomposto por duas placas (ou eletrodos), com polaridades de sinais contrários, entre as quais écolocado um material dielétrico. A quantidade de carga elétrica que é acumulada num condensadordepende, entre outros fatores, do material colocado entre as suas placas. A figura abaixoesquematiza um condensador em duas situações: quando entre suas placas é feito vácuo equando entre elas é colocado um material dielétrico. Fig. 2- Acúmulo de carga em um condensador elétrico: (a) com vácuo entre suas placas ; (b) com um dielétrico entre elas.- Constante Dielétrica (Relativa)A principal propriedade para um material dielétrico é a constante dielétrica relativa ( ), ousimplesmente constante dielétrica. Esta propriedade é definida como a quantidade de cargaelétrica acumulada entre as placas de um condensador, quando entre estas existir um materialdielétrico ( ), dividida pela quantidade de carga elétrica acumulada quando houver vácuoentre elas ( ), ou (1)- Capacidade de um condensador elétricoA carga que pode ser acumulada em um condensador é proporcional à diferença de potencialaplicada entre suas placas. A equação correspondente pode ser expressa como Q=CV (2)onde Q = carga elétrica acumulada (coulombs ou amp.s) V = diferença de potencial aplicada (volts) C = capacidade do condensador (farads, ou F) 2
  3. 3. A capacidade de um condensador é, também, dependente da constante dielétrica relativa K’ e dageometria do condensador. Para um condensador de placas paralelas, temos que C= (3)onde C é a capacidade (em microfarads), A é a área (em cm2) e é a distância entre as placas(em cm). O fator de conversão (11,32) é escolhido de forma que a constante dielétrica K’ sejaadimensional e igual a 1,0, quando é feito o vácuo entre as placas.A constante K’, para os vários materiais que podem ser utilizados como dielétricos, depende dodeslocamento de carga que ocorre como resultado do campo elétrico aplicado. Uma combinaçãodas equações (2) e (3) mostra que a quantidade de carga armazenada em um capacitor édiretamente proporcional à constante dielétrica relativa. Como a constante dielétrica éconsequência de um deslocamento de carga no interior do material, seu valor depende tanto datemperatura como da frequência do campo elétrico aplicado e da estrutura do material.- Rigidez DielétricaSe um material dielétrico é usado somente como isolante elétrico, é necessário considerar-se a suarigidez dielétrica, que pode ser expressa na unidade (volts/cm). Entretanto, deve-se lembrar que acapacidade isolante de um material nem sempre aumenta proporcionalmente à espessura; muitosoutros fatores, tais como área específica, porosidade e defeitos, influem nas características deisolação do material.- Materiais cerâmicos dielétricosEm um circuito elétrico, os materiais cerâmicos são normalmente utilizados em várias aplicações,como isolantes elétricos ou como partes funcionais. Quando são usados como isolantes, osmateriais cerâmicos devem ser apenas eletricamente inertes e capazes de isolar dois condutores,em diferentes potenciais. Quando usados como componentes funcionais, deve haver umainteração entre o campo elétrico e as cargas dentro da estrutura do material.a) Isolantes elétricos: Materiais comumente considerados como isolantes podem falhar noisolamento, quando submetidos a altas voltagens. Geralmente, essa falha é um fenômeno desuperfície. Por exemplo, as velas de um automóvel podem sofrer um curto circuito em uma manhãúmida, em virtude da condensação de umidade na sua superfície, que passa a permitir apassagem de corrente. Os isoladores são projetados de forma a terem os caminhos na superfícieos mais longos possíveis, a fim de diminuir a possibilidade de um curto circuito através da mesma(falha superficial na isolação), o que é mostrado na figura abaixo: Fig.3- Falha superficial na isolação. A umidade absorvida e a presença de contaminantes facilitam o curto circuito através da superfície. 3
  4. 4. Como a presença de poros e fissuras facilita a condução, as superfícies são geralmentevitrificadas, a fim de torná-las não absorventes. A falha de isolamento se dá através do corpo domaterial, apenas para gradientes de voltagens extremamente elevadas.- Constante dielétrica associada: Um campo elétrico muito forte pode ser suficiente para romperos dipolos induzidos no isolador, e, quando se atinge esse valor, o material deixa de ser isolante.Os isoladores elétricos possuem constantes dielétricas relativas com valores nitidamentesuperiores a um. A constante dielétrica mais elevada, em frequências baixas, é consequência dodeslocamento de íons no campo elétrico. Quando apenas átomos, isoladamente ou singularesestão envolvidos, esses deslocamentos podem ocorrer para frequências de até 1013 cps (ciclos porsegundo). Entretanto, a maior parte dos deslocamentos envolve grupos de átomos do interior domaterial. Dessa forma, há um limite na resposta de uma redução na constante dielétrica, além de105 cps, como mostra a figura abaixo:Fig.4- Constante dielétrica em função da frequência, para materiais cerâmicos: (a) Sílica fundida, l00°C; (b) Sílica fundida, 400°C; (c) AlSiMg, l50°C; (d) Porcelana de Zr02; (e) Al2O3.- Materiais poliméricos dielétricos Os polímeros encontram uma aplicação considerável como isolantes elétricos. Apresentam avantagem adicional de, quando aplicados como cobertura no fio condutor, formarem uma camadauniforme na forma não polimerizada ou parcialmente polimerizada, que pode ser polimerizadaposteriormente. Vários polímeros já tendem naturalmente a formar filmes e são particularmenteúteis como isolantes elétricos, pela natureza covalente de suas ligações químicas, o que inviabilizaa condução elétrica.- Constante dielétrica associada: As propriedades dielétricas dos polímeros também dependemda polarização da estrutura. Essa polarização, e, portanto, a constante dielétrica resultante, éconsideravelmente maior nos polímeros com dipolos naturais (polarização molecular), nos quais ocentro das cargas positivas das moléculas não coincide com o das cargas negativas. Em baixasfrequências, os dipolos conseguem acompanhar as mudanças no campo elétrico. Entretanto, como aumento da frequência, pode-se atingir um valor além do qual é impossível aos grupos polaresdas moléculas acompanharem a oscilação do campo elétrico, e apenas passa a existir apolarização eletrônica. Essa frequência limite varia com as dimensões dos dipolos e com atemperatura, conforme mostrado na figura da próxima página. 4
  5. 5. Fig.5- Constante dielétrica em função da frequência, para materiais poliméricos.A temperatura é importante porque a energia térmica suplementa a força do campo elétrico nodeslocamento dos átomos. De uma maneira geral, frequências mais elevadas e temperaturas maisbaixas reduzem a constante dielétrica, já que é menor o tempo disponível para o alinhamento dosdipolos.Condutividade elétrica associada: Embora os polímeros sejam inerentemente isolantes, suascomposições podem ser ajustadas de forma a permitir uma certa condutividade. No caso deborrachas especiais, consegue-se a condutividade através da adição de grafita finamentepulverizada, a qual fornece um percurso através do qual os elétrons podem se mover.Dessa forma, a condutividade não é intrínseca ao polímero (por si próprio), mas resulta da inclusãode uma segunda fase condutora. O polímero pode ser tratado de várias maneiras, de forma aadquirir uma condutividade intrínseca. Um desses métodos consiste em tratar o polímero atravésde irradiações de raios ou através de degradação térmica parcial. Ambos os tratamentosdestroem parcialmente, a estrutura e provocam irregularidades na cadeia que contém pontosdoadores e/ou aceptores de elétrons. Já foram assinaladas resistividades tão baixas como102 ohm.cm, as quais podem ser comparadas com as correspondentes do Germânio e com osvalores superiores a 1010 ohm. cm, para os polímeros normais . Um segundo método é produzir umpolímero contendo radicais ao longo da cadeia. Estes radicais originam tanto pontos aceptorescomo doadores. Desta forma, são obtidas resistividades de até 10 ohm.cm, podendo ser maisbaixas ainda, desde que se melhore a “cristalização” do polímero considerado.- PiezeletricidadeÉ um fenômeno que ocorre para materiais com estruturas cristalinas, onde os centros das cargaspositivas e das negativas não coincidem, formando dipolos elétricos. A energia elétrica recebidapode ser transformada em energia mecânica (ou vice versa), pois o cristal vibra com a frequênciado campo alternado aplicado e em proporção ao diferencial de voltagem, alterando o comprimentodesses dipolos. A figura abaixo esquematiza este fenômeno: Fig.6- Material piezelétrico: um campo elétrico provoca variações dimensionais nos dipolos elétricos. 5
  6. 6. O processo inverso, ou seja, a conversão de energia mecânica em elétrica, pode também serefetuado. Pressionando-se, por exemplo, um material deste tipo, a deformação por pressão induzuma diferença de potencial. Os dipolos elétricos são, então, deslocados de suas posições deequilíbrio e a distribuição da carga ao longo do cristal é alterada. Dessa forma, é possíveltransformar vibrações, ondas sonoras e outros movimentos mecânicos em potenciais elétricos.Além disso, como a quantidade de carga desenvolvida depende da distorção cristalina, é possívelconstruir-se dispositivos de medida de pressão, nos quais a leitura pode ser feita por meio de umvoltâmetro. As interações eletro mecânicas referidas acima são denominadas de efeitospiezelétricos. Os dispositivos eletromecânicos resultantes, denominados transdutores, sãonormalmente utilizados para produzir ondas sonoras de alta frequência e na sintonização decircuitos elétricos.Materiais cerâmicos piezelétricos: Os materiais cerâmicos piezelétricos estão entre aquelescujos centros das cargas positivas e das negativas não coincidem. Este tipo de material, como porexemplo o Quartzo, ou se alonga ou se contrai em um campo elétrico, pois os comprimentos dosdipolos são alterados por gradientes de voltagem (vide Fig.6). Entre os materiais mais comumenteutilizados em dispositivos piezelétricos, destacam-se o BaTiO3, o Si02 e o PbZrO3. Semicondutores- Definição; Condutividade Extrínseca ou SemiconduçãoPor definição, os semicondutores têm uma resistividade entre aquela dos condutores e a dosisolantes. Entretanto, para que um semicondutor seja utilizável em um circuito eletrônico, suaresistividade não deve diferir de 1 (ohm.cm) por mais de uma ou duas ordem de grandeza.Consequentemente, o Germânio e o Silício, considerados como materiais “puros”, cujascondutividades intrínsecas são, respectivamente, cerca 10-2 e 10-4 (ohm.cm)-1, têm aplicaçãorestrita em circuitos eletrônicos. A condutividade de um material pode ser aumentada através daadição de imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade extrínseca, ousemicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.- Semicondução do tipo pComo exemplo deste tipo, podemos considerar, no esquema da figura abaixo, a estrutura doSilício, contendo, como impureza, um átomo de Alumínio.Fig.7- Silício com imperfeição de Alumínio: o Alumínio tem três elétrons de valência; sua presença na estrutura origina um vazio eletrônico nas ligações covalentes da estrutura do Silício, que tem quatro elétrons de valência. Com o movimento do elétron para o vazio, novos vazios são abertos; os vazios se movem na direção do eletrodo negativo.O Silício tem a mesma estrutura cristalina cúbica que o Carbono, quando este se encontra naforma de diamante. A presença de um átomo de Alumínio deixa um vazio eletrônico na estrutura.Os elétrons adjacentes podem se mover para essa posição, quando um campo elétrico externo éaplicado ao material. Claro que, se um elétron adjacente ocupa este vazio (ou“buraco”), o vazio se 6
  7. 7. move na direção do eletrodo negativo. Neste caso, o vazio eletrônico é considerado como sendoum transportador de carga positiva e origina uma semicondução do tipo p.- Semicondução do tipo nSe, ao invés de Alumínio, tivéssemos o Fósforo na estrutura do Silício, o quinto elétron de valênciado Fósforo fica com maior energia, pois está fora das ligações covalentes, onde a energia é menor.Dessa forma, apenas uma pequena energia adicional é necessária para acelerar o elétron,conforme a direção e sentido de um campo elétrico. A figura abaixo esquematiza esta situação:Fig.8- Silício com imperfeição de Fósforo. Devido ao Fósforo conter cinco elétrons de valência, um destes elétrons não pode ficar nas ligações covalentes da estrutura regular do Silício.Junção p - nÉ uma junção de um semicondutor do tipo p com um do tipo n, que permite movimentos de cargasem uma direção e sentido, mas não no sentido contrário, porque há a formação de uma zonaisolante na interface (junção) desses semicondutores. Essa zona isolante se forma porque ostransportadores de carga se deslocam para fora da zona da junção, conforme esquematiza a figuraabaixo:Fig.9- Junção p - n: (a) Sem gradiente de potencial; (b) e (c) gradientes opostos de potencial. Em (c), os transportadores de carga são removidos da junção, de forma a aparecer uma zona isolante. (Os sinais - e + indicam,respectivamente, elétrons e vazios eletrônicos)Para que a transferência de cargas se efetivasse, seriam necessários movimentos opostos aocampo. A assimetria resultante é usada para retificação, como esquematizado na figura acima.A junção p - n é um retificador diodo, pois a sua característica corrente/tensão é assimétrica:Fig.10- Características corrente/tensão: (a) Condutor ôhmico: a corrente não é sensível à direção do potencial. (b) Condutor assimétrico: a corrente é tanto uma função do potencial como da direção do mesmo.Muitos semicondutores têm característica não linear, particularmente se a direção da voltagem éinvertida. (Em um condutor ôhmico, o valor dV/dI é constante e igual à resistência do condutor). 7

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