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Semicondutor

São materiais com condutividade elétrica entre isolantes e condutores, sua condutividade pode variar muito com condições como temperatura, iluminação, sua pureza ou voltagem aplicada, elementos semicondutores, especialmente silício, são uma parte essencial para a construção de circuitos eletrônicos e computadores, mas também muitas outras coisas, como painéis solares. Em suas propriedades, os semicondutores são diferentes dos isolantes que geralmente não conduzem eletricidade muito bem, têm uma grande resistividade,ce condutores que o fazem. Além do silício, também existem outros elementos semicondutores como germânio, selênio ou compostos de vários elementos. Semicondutores são importantes para computadores porque ajudam a implementar os circuitos lógicos binários, eles podem se comportar como um interruptor que está ligado ou desligado. Eles podem servir, para fazer medições, um componente cuja resistividade depende de sua iluminação pode ser usado para medir a quantidade de luz medindo a resistividade. Componentes eletrônicos especialmente importantes baseados em semicondutores são o diodo, deixa a corrente fluir apenas em uma direção, e o transistor, um interruptor puramente elétrico que pode ser extremamente pequeno. Elementos semicondutores são aqueles com propriedades especiais relacionadas à sua estrutura atômica, em átomos existem os chamados orbitais, certos níveis discretos nos quais os elétrons orbitam ao redor do núcleo, a distribuição de elétrons nesses orbitais é dada pelo tipo de átomo que ele é, quantos elétrons existem no total, e quando os átomos estão juntos, um sólido, esses orbitais criam tipos de bandas de energia que os elétrons podem ocupar. A banda de energia mais externa que tem elétrons é chamada de banda de valência, a banda imediatamente acima dela, que normalmente está vazia, é chamada de banda de condução.

Elementos condutores são aqueles que não têm a banda de valência completamente preenchida, de modo que há espaço para os elétrons se moverem e conduzirem eletricidade. Isolantes, por outro lado, têm a banda de valência completamente preenchida, de modo que esses elétrons não podem se mover facilmente, eles não conduzem bem a eletricidade. Da mesma forma, os semicondutores em seu estado normal têm a banda de valência preenchida, mas, diferentemente dos isolantes, a lacuna entre a banda de valência e a banda de condução é bem pequena, de modo que os elétrons podem saltar com relativa facilidade da banda de valência para a banda de condução e se mover para conduzir eletricidade, ainda assim, os semicondutores não conduzem muito bem em temperatura ambiente, eles conduzem melhor em temperaturas mais altas, diferentemente dos metais, mas a pequena lacuna de energia entre as bandas superiores nos permite aumentar sua condutividade pela chamada dopagem, introduzindo pequenas impurezas de outros elementos. Claro que aumentar sua condutividade por si só não alcançaria muito, pois ainda temos materiais que conduzem bem por si mesmos, os elementos condutores, mas, como veremos, a dopagem leva à criação de dois tipos possíveis de semicondutores que, quando combinados, dão origem a algumas coisas extremamente úteis. Os dois tipos de semicondutores são:

• Tipo N, adicionando um átomo de arsênio a uma grade de átomos de silício, obtemos um elétron livre extra porque o arsênio tem 5 elétrons externos, enquanto o silício tem 4. O arsênio liga seus 4 elétrons com átomos de silício vizinhos, com a chamada ligação covalente, compartilhando pares de elétrons, mas terá um elétron não ligado, que, graças a não estar ligado, pode se mover facilmente e ajudar a conduzir eletricidade, observe que quando o elétron se afasta, o arsênio ainda vai querer obter outro elétron porque ele se tornará carregado positivamente, mas o quinto elétron é simplesmente sempre mais solto graças a não estar ligado. Neste tipo de semicondutor, temos partículas negativas e elétrons se movendo.
• Tipo P, adicionando, de forma semelhante um átomo de boro a uma grade de silício, obtemos uma situação semelhante; o boro tem apenas 3 elétrons externos, então ele se ligará apenas a 3 átomos de silício, deixando uma ligação com um silício incompleta, formando um buraco. Este buraco pode ser visto como uma partícula virtual carregada positivamente, é simplesmente uma falta de elétron. Um elétron pode pular temporariamente neste buraco, mas vai querer se afastar, pois o boro não o quer lá. Neste tipo de semicondutor, podemos imaginar os buracos se movendo, embora fisicamente apenas os elétrons estejam se movendo, é claro.

Se conectarmos um semicondutor do tipo P e N, obtemos a chamada junção PN, que conduz corrente apenas em uma direção e é usada em diodos e transistores. Depois de colocar os materiais P e N juntos, na fronteira alguns elétrons do material do tipo N preenchem os buracos no material do tipo P, o que cria uma pequena região de depleção de certa largura. Esta região é um campo elétrico que é negativo no lado P e positivo no lado N, porque os elétrons negativos se moveram de N para P. Se conectarmos a junção PN a uma fonte de tensão, com o lado P no terminal positivo e o lado N no terminal negativo, criamos um campo elétrico oposto que eliminará a região de depleção e permitirá o fluxo de corrente. Conectar os lados ao contrário resultará no aumento da largura da região de depleção e no bloqueio do fluxo de corrente.

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