Semicondutores: O que São, Conceitos e Mais

22 de fevereiro de 2023 0 Comentários Leitura: 13 min

Os semicondutores são componentes eletrônicos fundamentais para praticamente todos os aspectos da tecnologia eletrônica moderna – entender o que são e como funcionam é essencial para qualquer pessoa envolvida em eletrônica.

_______________________________________________________________________

Nosso tutorial sobre semicondutores Inclui:

_______________________________________________________________________

Semicondutores e tecnologia de semicondutores formam a base da maior parte da indústria eletrônica atualmente.

Transistores, diodos, tiristores, transistores de efeito de campo, circuitos integrados e muitos outros componentes eletrônicos têm a tecnologia de semicondutores em comum. Todos esses componentes eletrônicos são usados em grandes quantidades todos os dias em todas as formas de fabricação de eletrônicos.

Como resultado do enorme grau de flexibilidade que a tecnologia de semicondutores oferece, ela permitiu que a eletrônica tomasse conta de muitas áreas da vida cotidiana, que cinquenta anos atrás não poderiam ser concebidas.

A tecnologia de semicondutores é naturalmente baseada em semicondutores, que são uma forma especial de material em que a condutividade pode ser alterada de várias maneiras.

Sumário

Desenvolvimento de semicondutores

Os primeiros efeitos para semicondutores foram notados no início do século XX. O fato de alguns materiais não serem nem isolantes de condutores já era conhecido há algum tempo.

Também alguns dos primeiros dispositivos começaram a ser usados - o detector de rádio Cat’s Whisker foi um dos primeiros. Ele foi usado pela primeira vez por volta de 1906 e, em seguida, na década de 1920, esses dispositivos estavam em uso generalizado para os primeiros rádios de transmissão.

Imagem de um típico detector de cristal Cat's whisker mostrando como o cristal foi montado em um tubo transparente. — Detector de cristal típico / detector Cat’s Whisker – foi um dos primeiros dispositivos semicondutores a ser usado

Durante a década de 1920, uma maior compreensão teórica dos semicondutores começou a crescer à medida que a física quântica por trás de sua operação começou a ser compreendida.

No entanto, não foi até que surgiu a necessidade de diodos de micro-ondas para uso em conjuntos de radar na Segunda Guerra Mundial, que surgiu o ímpeto de impulsionar esses dispositivos.

No final da década de 1940 o primeiro transistor foi desenvolvido e então na década de 1960 a tecnologia avançou e logo muitos novos dispositivos começaram a aparecer: transistores de efeito de campo, LEDs e, claro, o circuito integrado.

O que é um semicondutor

Para poder entender melhor os semicondutores, um começo útil é ter uma definição que forneça uma descrição concisa do que um semicondutor realmente é.

Definição de semicondutor:

Um semicondutor é definido como um material que está a meio caminho entre um condutor e um isolante em termos de condutividade elétrica. Geralmente é um material sólido cristalino que conduz corrente elétrica sob certas condições e isso o torna ideal para controlar o fluxo de corrente.

Introdução aos semicondutores

Uma corrente elétrica ocorre quando há um fluxo de elétrons em uma determinada direção. Como os elétrons têm carga negativa, seu movimento significa que a carga está fluindo de um ponto para outro e é isso que é uma corrente elétrica.

Para permitir que a corrente flua, os elétrons devem ser capazes de se mover livremente dentro do material. Em alguns materiais, os elétrons se movem livremente pela rede, embora o número de elétrons e os espaços disponíveis para eles se equilibrem, de modo que o próprio material não carrega carga.

Nesses materiais, os elétrons se movem livremente, mas aleatoriamente. Ao colocar uma diferença de potencial através do condutor, os elétrons podem ser levados a derivar em uma direção e isso constitui uma corrente elétrica. Muitos materiais são capazes de conduzir eletricidade, mas os metais são os exemplos mais comuns.

Ao contrário dos metais, existem muitos outros materiais nos quais todos os elétrons estão firmemente ligados às suas moléculas-mãe e não são livres para se mover. Assim, quando um potencial é colocado através da substância, poucos elétrons serão capazes de se mover e muito pouca ou nenhuma corrente fluirá.

Essas substâncias são chamadas de não condutoras ou isolantes. Eles incluem a maioria dos plásticos, cerâmicas e muitas substâncias naturais como a madeira.

Os semicondutores não se enquadram nas categorias de condutores ou não condutores. Em vez disso, eles ficam no meio. Uma variedade de materiais se enquadra nessa categoria e inclui silício, germânio, arsenieto de gálio e um grande número de outras substâncias.

Em seu estado puro, o silício é um isolante sem elétrons livres na rede cristalina. No entanto, para entender como ele age como um semicondutor, primeiro observe a estrutura atômica do silício em seu estado puro.

Cada molécula na rede cristalina consiste em um núcleo com três anéis ou órbitas contendo elétrons, e cada elétron tem uma carga negativa. O núcleo consiste em nêutrons que são neutros e não têm carga e prótons que têm carga positiva. No átomo há o mesmo número de prótons e elétrons, então o átomo inteiro não tem carga total.

Os elétrons no silício, como em qualquer outro elemento, estão dispostos em anéis com números estritos de elétrons em cada órbita. O primeiro anel pode conter apenas dois e o segundo tem oito. O terceiro e externo anel do silício tem quatro.

Os elétrons na camada externa são compartilhados com os dos átomos adjacentes para formar uma rede cristalina. Quando isso acontece, não há elétrons livres na rede, tornando o silício um bom isolante.

Uma imagem semelhante pode ser vista para o germânio. Tem dois elétrons na órbita mais interna, oito na próxima, 18 na terceira e quatro na externa. Mais uma vez, ele compartilha seus elétrons com os de átomos adjacentes para formar uma rede cristalina sem nenhum elétron livre.

Efeito de impurezas em um semicondutor

Para transformar o silício ou qualquer outro semicondutor em um material parcialmente condutor, é necessário adicionar uma quantidade muito pequena de impureza ao material. Isso altera consideravelmente as propriedades.

Se forem adicionados vestígios de impurezas de materiais com cinco elétrons no anel externo de seus átomos, eles entram na rede cristalina compartilhando elétrons com o silício. No entanto, como eles têm um elétron extra no anel externo, um elétron fica livre para se mover pela rede. Isso permite que uma corrente flua se um potencial for aplicado através do material. Como esse tipo de material possui um excesso de elétrons na rede, ele é conhecido como semicondutor do tipo N. As impurezas típicas que são freqüentemente usadas para criar semicondutores do tipo N são o fósforo e o arsênico.

Também é possível colocar elementos com apenas três elétrons em sua camada externa na rede cristalina. Quando isso acontece, o silício quer compartilhar seus quatro elétrons com outro átomo com quatro átomos. Porém como a impureza tem apenas três, fica um espaço ou uma lacuna para outro elétron. Como este tipo de material tem elétrons ausentes, é conhecido como material do tipo P. As impurezas típicas usadas para materiais do tipo P são boro e alumínio.

Buracos e elétrons em semicondutores

É fácil ver como os elétrons podem se mover pela rede e transportar uma corrente. No entanto, não é tão óbvio para buracos. Isso acontece quando um elétron de uma órbita completa se move para preencher um buraco, deixando um buraco de onde veio.

Outro elétron de outra órbita pode então se mover para preencher o novo buraco e assim por diante. O movimento dos buracos em uma direção corresponde a um movimento de elétrons na outra, portanto, uma corrente elétrica.

A partir disso, pode-se ver que elétrons ou buracos podem carregar carga ou corrente elétrica. Como resultado, eles são conhecidos como portadores de carga, sendo os buracos os portadores de carga para um semicondutor do tipo P e os elétrons para um semicondutor do tipo N.

Leia mais sobre . . . . Buracos e Elétrons em Semicondutores.

Lista de termos comuns de semicondutores

Portador de carga – O portador de carga é uma partícula livre (móvel, não ligada) carregando uma carga elétrica, por exemplo, um elétron ou uma lacuna.
Condutor – Um material no qual os elétrons podem se mover livremente e a eletricidade pode fluir.
Elétron – Uma partícula subatômica carregando uma carga negativa.
Buraco – A ausência de um elétron de valência em um cristal semicondutor. O movimento de um buraco é equivalente ao movimento de uma carga positiva, ou seja, oposto ao movimento de um elétron.
Isolador – Um material no qual não há elétrons livres disponíveis para transportar eletricidade.
Portador majoritário – Portadores atuais, sejam elétrons livres ou lacunas que estão em excesso, ou seja, na maioria em uma área específica de um material semicondutor. Os elétrons são os portadores majoritários no semicondutor do tipo N e as lacunas em uma área do tipo P.
Portador minoritário – Portadores de corrente, sejam elétrons livres ou buracos que estão em minoria em uma área específica de um material semicondutor
Tipo N – Uma área de um semicondutor em que há um excesso de elétrons.
Tipo P – Uma área de um semicondutor em que há um excesso de buracos.
Semicondutor – Um material que não é isolante nem totalmente condutor, que possui um nível intermediário de condutividade elétrica e no qual a condução ocorre por meio de buracos e elétrons.

O princípio por trás dos semicondutores pode parecer bastante simples. No entanto, levou muitos anos até que muitas de suas propriedades pudessem ser exploradas e muito mais antes que pudessem ser refinadas. Hoje em dia, muitos dos processos usados com semicondutores foram altamente otimizados e os componentes como circuitos integrados são altamente sofisticados. No entanto, eles contam com o fato de que diferentes áreas do semicondutor podem ser dopadas para produzir semicondutores do tipo P e do tipo N.

Hoje, a tecnologia de semicondutores é um grande negócio – tanto na fabricação de componentes eletrônicos semicondutores quanto no uso desses componentes em um grande número de produtos que os utilizam.

Perguntas Recorrentes

Por que o Brasil não produz semicondutores

O Brasil não produz semicondutores devido a uma série de fatores, de acordo com a Associação Brasileira da Indústria de Semicondutores (Abisemi). O país possui apenas 20 empresas de encapsulamento de semicondutores que atendem apenas 10% da demanda local, o que indica a falta de investimento e incentivos governamentais para o setor. Além disso, o investimento na fabricação de microchips é muito alto e a demanda na América Latina é baixa em comparação com países da Ásia, Europa e EUA. Alguns especialistas também apontam a falta de mão de obra qualificada e incertezas sobre o suprimento de água limpa como outros obstáculos para a produção de semicondutores no Brasil.

Multinacionais como a Intel e a Samsung já foram procuradas pelo governo brasileiro para trazer uma unidade de semicondutores ao país, mas afirmam que, no momento, não têm planos de implantar uma fábrica de chip no Brasil. Apesar dos desafios, alguns especialistas acreditam que o Brasil tem uma série de oportunidades e demandas que estão surgindo, principalmente com a chegada do 5G, e defendem a criação de um programa suprapartidário para atrair empresas para o país e a capacitação de profissionais para o setor. O governo brasileiro também é instado a adotar uma política de segurança de abastecimento de semicondutores, mesmo que não se invista em uma fábrica local.

Quem criou o semicondutor?

Os físicos americanos John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Shockley foram os criadores do primeiro semicondutor em 1948, quando construíram o primeiro transístor, pelo que receberam juntos o Prêmio Nobel da Física em 1956. Essa descoberta teve um impacto significativo na economia e sociedade, já que toda a eletrônica e ciência da computação são baseadas nos processos de condução microscópica que ocorrem em um semicondutor. Os semicondutores são classificados como intrínsecos e extrínsecos, sendo que os mais importantes são o silício e o germânio. A produção desses elementos é um processo complicado que envolve divisão das placas em muitas pastilhas retangulares, dopagem, tratamentos cáusticos e soldagem de fios de ouro. Os semicondutores são amplamente utilizados em transístores, díodos, circuitos integrados, opto-eletrônica, laser, entre outros dispositivos.

Principais Perguntas:

1. Quais são os semicondutores?

Os semicondutores são materiais com características elétricas particulares, podendo atuar tanto como isolantes quanto como condutores. Eles são fundamentais na produção de chips eletrônicos e possuem uma condutividade elétrica intermediária. Além disso, são geralmente sólidos cristalinos com variabilidade em sua condutividade elétrica, que pode mudar de acordo com fatores ambientais

2. Quais são os semicondutores mais conhecidos?

Os semicondutores mais conhecidos e utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge), ambos com quatro elétrons em sua camada de valência. O silício é particularmente predominante devido às suas propriedades elétricas superiores e abundância na crosta terrestre

3. Qual o melhor semicondutor?

O silício é considerado um dos melhores semicondutores, amplamente usado na indústria eletrônica e informática devido à sua abundância na natureza e comportamento favorável em altas temperaturas. Contudo, novos semicondutores como o arseneto de boro estão sendo explorados por suas potenciais propriedades superiores

4. Qual a razão para o Brasil não fabricar semicondutores?

O Brasil tem uma fábrica de chips, a CEITEC, localizada em Porto Alegre. A empresa enfrentou desafios como falta de compras governamentais e um decreto de liquidação que foi posteriormente suspenso. Apesar de possuir tecnologia e infraestrutura adequadas, a CEITEC sofreu com investimentos públicos insuficientes e críticas quanto à sua relevância e tecnologia, refletindo dificuldades maiores na indústria de semicondutores no país.

5. Por que o silício é um semicondutor?

O silício é um semicondutor devido à sua estrutura atômica, que possui quatro elétrons na camada de valência, formando ligações covalentes que restringem a movimentação dos elétrons e, por conseguinte, a condução elétrica. A condução no silício ocorre apenas quando energia suficiente é fornecida. Adicionalmente, a dopagem eletrônica pode transformar o silício em um elemento mais condutor de forma controlada.

______________________________________________________________

Mais conceitos básicos de eletrônica e tutoriais: