Semicondutores

1. SEMICONDUTORES

2. 1. Introdução
 As primeiras experiências com a eletricidade foram efetuadas pelo
filósofo e matemático grego Thales de Mileto que viveu entre 634 A.C e
548 A.C. Thales de Mileto verifica que ao esfregar um pedaço de âmbar
numa pele de carneiro, o âmbar atraía pequenos pedaços de palha.
 Por meio desta experiência, tem origem a palavra eletricidade que
provém do latim “electricus”
 Em 1729, as experiências sobre as propriedades dos materiais culminam
com a descoberta da condução eléctrica por Stephen Gray, cientista
inglês que dedicou sua vida à Astronomia e à Física, especificamente na
área da Eletricidade. Gray realizou uma série de experimentos que
levaram a conclusões que existem dois tipos de substâncias com
propriedades elétricas muito distintas. Estas subustanciais, hoje
conhecidas como condutores e isolantes, mas as leis que descrevem
seus comportamentos e propriedades foram descritas muito mais
tarde, em 1821, pelo famoso físico alemão Georg Simon.

3.  Além dos materiais condutores e materiais isolantes, existem materiais
que são um meio termo, estes são os semicondutores e que estes
materiais, atualmente, são mais utilizados, principalmente na
indústria de eletrônicos e informática .
 Os materiais semicondutores são sensíveis às condições ambientais,
eles possuem uma resistência elétrica que varia de acordo com a
temperatura e com o processo chamado dopagem.
 Em condições químicas normais, os materiais semicondutores não são
capazes de conduzir energia elétrica.
 A constituição atômica dos semicondutores é tetravalente, o que
significa que possuem apenas quatro eletrões na camada de valência,
tornando – os assim elementos não estáveis.
 Para que comportem como condutores, os semicondutores precisam ter
seus átomos agrupados, para ganharem estabilidade. Esse
agrupamento ocorre quando existem ligações químicas covalentes,
onde os átomos passam a ter oito eletrões, tornando-se condutores de
eletricidade.

4. 2. Fundamento Teórico
 O condutor elétrico é um material que conta com uma baixa resistência
elétrica, ou seja, que possibilita a passagem de corrente elétrica pelo seu
interior com certa facilidade. O que concede esta boa condutividade aos
materiais condutores é a sua estrutura, que apresenta eletrões livres com uma
fraca ligação com o núcleo atómico. Desta forma os eletrões conseguem
espalhar-se e movem-se facilmente. Quando uma tensão elétrica é aplicada ao
condutor, o movimento dos eletrões é impulsionado, o que gera a corrente
elétrica.
 Propriedades dos Condutores Elétricos
 Cada condutor elétrico possui propriedades específicas. Nesse sentido,
convém saber que:
 A resistência de um determinado condutor depende do seu material de fabrico
e das suas dimensões. Desta forma, a resistência é inversamente proporcional à
espessura do condutor e diretamente proporcional ao seu comprimento.
A propriedade que determina se um material possui grande ou baixa resistência é
chamada de resistividade elétrica.

5.  A propriedade que determina se um material é bom ou mau condutor é
chamada de condutividade e está relacionada à quantidade de eletrões
disponíveis para a condução da corrente elétrica.
 Tipos de Condutores Elétricos
 Os condutores elétricos podem ser encontrados na forma sólida, líquida e
gasosa.
 Condutores sólidos: são conhecidos como condutores metálicos. A condução
de corrente elétrica nestes materiais é muito veloz. Alguns exemplos são: cobre,
alumínio, ouro, prata, magnésio, chumbo e lítio.
 Condutores líquidos: são conhecidos como condutores eletrolíticos. A
corrente elétrica é gerada através da dissolução iónica. Alguns exemplos são:
sódio, potássio e cálcio, que, geralmente, são dissolvidos em água.
 Condutores gasosos: são conhecidos como condutores de terceira classe ou
de terceira categoria. A geração de corrente elétrica ocorre quando os catiões e
os aniões colidem. Qualquer gás ionizado é um condutor gasoso.

6. Materiais isolantes
 Materiais isolantes são aqueles que resistem à
condução de eletricidade, ou seja, que impedem a
passagem de eletrões e são úteis, portanto, para se
protegerem da eletricidade, para evitar que ela siga um
curso livre, ou curto-circuitos. Os isoladores também
não isolam 100% (cem por cento) de forma eficiente.
Eles têm um limite (tensão de rutura) acima do qual a
energia é tão intensa que não conseguem manter sua
condição de isolantes e, portanto, transmitem corrente
elétrica, pelo menos em certo grau.

7. Semicondutores
 Semicondutores são materiais capazes de atuarem como
condutores elétricos ou isolantes elétricos, dependendo das
condições físicas em que se encontram. Essas condições
geralmente envolvem temperatura e pressão , a incidência
de radiação ou as intensidades
do campo elétrico ou magnético ao qual o material está
sujeito.
 Os semicondutores são compostos de elementos
químicos muito variados, que na verdade vêm de diferentes
regiões da Tabela Periódica , mas que compartilham certas
características químicas (geralmente são tetravalentes), que
lhes conferem suas propriedades elétricas particulares.

8.  Semicondutores usados em eletrónica são materiais
cristalinos (silício, germânio, gálio) a que são acrescentadas
impurezas doadoras ou aceitadoras , após a colocação de
impurezas o material semicondutor é classificado como
semicondutor tipo N ou tipo P. A junção de materiais P e N
possibilitam o fabrico de componentes semicondutores,
o díodo e a célula solar são constituídos por duas junções
uma N e outra P, ou o transístor constituído por três
junções duas N e uma P, ou duas P e uma N.
 A base de todos os circuitos integrados é o material
semicondutor.
Na natureza o material semicondutor tem uma
concentração de portadores negativos e positivos igual,
designam-se por semicondutores intrínsecos.
 Mas, ao serem adicionadas impurezas designam-se
por semicondutores extrínsecos ou dopados.

9.  Estrutura Cristalina dos Semicondutores
 Quando os átomos se unem para formar as moléculas
de uma substância, a distribuição desses átomos no
espaço pode ou não ser feita organizada e
definidamente. As substâncias cujos átomos se
agrupam formando uma estrutura ordenada são
denominadas substâncias cristalinas, e a disposição de
seus átomos formam a chamada estrutura cristalina. O
Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina
cúbica, conforme é mostrado na figura.

10.  Eletrões e Lacunas
 Na prática, a estrutura cristalina só é conseguida quando o
cristal de Silício é submetido à temperatura de zero graus
absolutos (ou -273ºC). A essa temperatura, todas as ligações
covalentes estão completas e, consequentemente, o
material comporta-se como isolante porque, não havendo
eletrões livres, não será possível estabelecer uma corrente
elétrica através do cristal.
Quando este mesmo cristal de Silício é submetido à
temperatura ambiente normal (20ºC, por exemplo), a
energia térmica (calor) provoca o rompimento de algumas
ligações covalentes, fazendo com que os eletrões que
abandonam as ligações rompidas passem a se movimentar
livremente no interior do cristal, tornando-se eletrões
livres.

11.  Ligações Covalentes
 Cada átomo de Silício une-se a outros quatro átomos
vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos
quatro eletrões de valência de um átomo é compartilhado
com um eletrão do átomo vizinho, de modo que dois
átomos adjacentes partilham os dois eletrões.
 Dopagem de Semicondutores
 Ao processo de adição de impurezas doadoras ou
aceitadoras atribui-se o nome de Dopagem
Semicondutores. O exemplo seguinte exemplifica a
dopagem de silício com fósforo e boro.

Tipos de semicondutores
 Os semicondutores podem ser de dois tipos diferentes,
dependendo de sua resposta ao ambiente físico em que
estão:

12.  Semicondutores intrínsecos
 Eles são compostos de um único tipo de átomos , dispostos
em moléculas tetraédricas (ou seja, quatro átomos com valência
4) e seus átomos unidos por ligações covalentes .
 Essa configuração química impede a
livre movimentação dos elétron ao redor da molécula, exceto em
caso de aumento da temperatura: então os elétron participam
da energia disponível e “saltam”, deixando um espaço livre que se
traduz em carga positiva, que por sua vez, atrairá novos elétron.
Esse processo é chamado de recombinação e a quantidade
de calor necessária para ele depende do elemento químico em
questão.
 Semicondutores extrínsecos
 Esses materiais permitem um processo de dopagem, ou seja,
permitem que algum tipo de impureza seja incluída em sua
configuração atômica. Dependendo dessas impurezas, que
podem ser pentavalentes ou trivalentes, os materiais
semicondutores são divididos em dois:

13. Dopagem Silício
 Semicondutores Positivos (de tipo P -(aceitadores))
 Quando ao silício de adiciona um elemento do Grupo III como o Alumínio, Gálio, Boro,
que têm 3 eletrões de valência, produz-se uma corrente onde faltam tantos eletrões como
átomos do elemento adicionado, formado desta forma um semicondutor do tipo P.
 Semicondutores Negativos (de tipo N - (doadores)) Se, em vez de adicionarmos com
um elemento o grupo III, adicionarmos elementos do grupo V, como o fosforo, arsénio ou
antimónio que têm 5 eletrões de valência, produz-se uma rede com eletrões em excesso
movendo-se em direção contrária ao campo submetido.

14.  Os semicondutores são especialmente úteis na indústria eletrônica, pois permitem
que a corrente elétrica seja conduzida e modulada de acordo com os padrões necessários.
 Os semicondutores são utilizados em diversos aparelhos.
 Também podem ser utilizados no bloco de retificação das fontes de alimentação na
conversão de corrente alternada para corrente contínua. A fonte de alimentação é um
dispositivo essencial na eletrónica para uma alimentação estabilizada sendo utilizada em
televisões, computadores e em quase todos os equipamentos elétricos.
 Entre as principais aplicações dos semicondutores cabe destacar:
• Transístores: são dispositivos eletrônicos capazes de modificar um sinal elétrico de saída
como resposta a um de entrada, servindo como amplificadores, comutadores, osciladores
ou retificadores do mesmo. São habituais em aparelhos de rádio, relógios ou
lâmpadas, entre outros.
• Circuitos: também conhecidos como chips ou microchips, são circuitos eletrônicos cujos
componentes estão dispostos em uma lâmina de material semicondutor, sendo hoje
uma peça essencial em aparelhos como computadores, tablets e celulares etc.
• Díodos: têm várias aplicações, sendo a mais óbvia a conversão de corrente alternada
para contínua. Por isso, são utilizados em placas fotovoltaicas uma vez que convertem
a energia solar em energia elétrica, assim como os díodos emissores de luz (LED).
Aplicações dos semicondutores

15. Silício
 O silício (Si) é um elemento químico de número atômico igual a 14 e é usado
como matéria-prima de vários produtos importantes.
 O silício foi descoberto em 1824, pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius, por
meio do aquecimento de tetrafluoreto de silício com potássio.
 O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (27,7%),
ficando atrás somente do oxigênio. Ele é encontrado praticamente em todas as
rochas, areias, barros e solos.
 O silicone pode ser usado para diversas aplicações, dentre elas, podem ser
destacadas: brinquedos, bicos de mamadeiras, toucas de natação, polidores de
carro, borrachas de alta resistência, plásticos para equipamentos cirúrgicos,
colas de silicone para vedação, próteses usadas para implantes em cirurgias
plásticas, dentre outros. Mas a aplicação mais conhecida do silício é em
semicondutores usados em componentes de circuitos e chips eletrônicos.

16. Germânio
 O germânio (Ge) é um elemento químico de características semimetálicas, ou
tetravalente, de cor branco-acinzentada, estável no ar e água, que se localiza no
grupo 14 e período 4 da Tabela Periódica.
Este possui número atómico 32 e massa atómica 72,64.
O germânio foi descoberto em 1886 em Freiberg, Alemanha, pelo químico
Clemens Winkler numa mina de Himmelsfurst.
 Na prática industrial, o germânio é obtido principalmente a partir de subprodutos
do processamento de minérios de metais não ferrosos (blend de zinco,
concentrados polimetálicos de zinco-cobre-chumbo) contendo 0,001-0,1%
 O germânio natural é uma mistura de cinco isótopos estáveis ​​com números de
massa 70, 72, 73, 74 e 76.
 O conteúdo total de germânio na crosta terrestre é de 7,10
 O germânio é um elemento bastante raro de encontrar na crosta terrestre.

17. 3. Comparações
 O silício (Si) e o germânio (Ge) são semicondutores, nós podemos usar tanto
o silício (Si) quanto o germânio (Ge) como semicondutores intrínsecos na
fabricação de dispositivos de estado sólido. Por outro lado, na Tabela
Periódica dos Elementos, o germânio (Ge – número atômico 32) ocupa a
posição diretamente abaixo do silício (Si – número atômico 14).
 O silício (Si) e o germânio (Ge), por estarem na mesma coluna, sabemos que
dois têm o mesmo número de eletrões em sua camada externa ou de valência.
Dessa forma, os átomos do segundo têm uma camada a mais do que os átomos
de primeiro. Mas, o que torna as propriedades semicondutoras interessantes é o
fato de dois terem quatro eletrões na camada de valência. Como consequência,
ambos os materiais se constituem prontamente como redes de cristal.
 Diferenças entre o silício (Si) e germânio (Ge)
 À temperatura ambiente, o cristal de silício (Si) tem menos eletrões livres
do que o cristal de germânio. Isso implica que o silício (Si) terá
uma corrente de corte muito menor do que o germânio (Ge).

18.  A variação da corrente de corte com a temperatura é menor no silício do que
no germânio.
 Em temperaturas mais altas ocorre a destruição da estrutura dos cristais de
germânio. Por outro lado, os cristais de silício não são facilmente danificados
pelo excesso de calor.
 As classificações de tensão inversa de pico dos díodos de silício são maiores do
que os díodos de germânio.
 O silício é menos caro devido à maior abundância do elemento. A principal
matéria-prima para a fabricação do wafer de Si é a areia e há muita areia
disponível na natureza.
 Então, se considerarmos as vantagens e desvantagens listadas acima, podemos
concluir que o silício é o melhor elemento para os dispositivos e Aplicações
Semicondutores. Por outro lado, os primeiros transístores foram feitos de germânio
(Ge).

19. 4. Conclusões
 Com este trabalho fiquei a saber mais sobre os semicondutores, os tipos que existem e
para o que eles são utilizados.
 Compreendi que os semicondutores são feitos de silício e produzidos a partir de um
processo designado por ``Dopagem´´.
 Fiquei com a consciência de que, nos dias de hoje, todos os equipamentos elétricos e
eletrónicos são constituídos por semicondutores.
 E que Condução intrínseca: são puros, pois sua estrutura molecular é formada por um
único tipo de átomo, tais como o silício, germânio, estanho, selênio ou telúrio.
 Condução extrínseca: são aqueles aos quais são adicionadas impurezas em um processo
conhecido como dopagem, cujo objetivo é aumentar a condutividade dos materiais.

20. 5. Referencias Bibliograficas
 https://repositorio.unesp.br/server/api/core/bitstreams/dde98738-0164-423a-b728-
cd2eb8ef7d0a/content
 https://eficilux.pt/material-eletrico/
 https://www.antonioguilherme.web.br.com/blog/materiais-eletricos-e
magnéticos/classificação-dos-materiais/
 Semicondutores - O que são, tipos, aplicações e exemplos (conceitosdomundo.pt)
 http://www.indusmelec.pt/newsletter/05/historia_electricidade.pdf
 https://www.preparaenem.com/quimica/silicio.htm
 https://material-properties.org/pt-br/germanio-propriedades-preco-aplicacoes-producao/
 https://www.iberdrola.com/inovacao/semicondutores
 https://material-properties.org/pt-br/germanio-propriedades-preco-aplicacoes-producao/
 https://clubedaquimica.com/2021/04/29/germanio-onde-e-encontrado-e-aplicado/
 https://clubedaquimica.com/2022/07/15/o-silicio-e-o-germanio-sao-semicondutores/
 https://goldenergy.pt/glossario/condutor-eletrico/