O que são semicondutores e condutores? LED e LDR são semicondutores?
Propriedades dos sólidos, como por exemplo, a existência de grandes cristais isolados e raros, alguns considerados como pedras preciosas, intrigaram as pessoas e os cientistas ao longo do tempo. A mecânica quântica propiciou a interpretação das propriedades observadas nesses materiais e hoje, os conhecimentos destas propriedades contribuem para o desenvolvimento tecnológico na área das comunicações, no processamento de dados e nos mais variados aparelhos eletrônicos.
Sabe se que bons condutores de eletricidade também são, em geral, bons condutores térmicos (o cobre por exemplo). Propriedades como a resistividade elétrica e a condutividade térmica podem ser explicadas qualitativamente através da teoria clássica. Entretanto, quando se passa para uma análise quantitativa o mesmo não ocorre. Os valores obtidos para diversos parâmetros macroscópicos como a resistividade e a capacidade térmica não são explicadas pela teoria clássica, quando envolve significativas variações com a temperatura.
Uma das dificuldades da teoria clássica é que se admite que os elétrons livres têm uma energia média de 3/2 kT, onde k é a constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta (medida em Kelvin). Essa é uma decorrência do teorema de eqüipartição de energia, onde os sistemas de partículas seguem a distribuição de Maxwell-Boltzmann.
Pela teoria quântica e o Princípio de Exclusão de Pauli não pode haver mais que dois elétrons (com spins opostos) em um mesmo estado de energia, nem mesmo no estado de menor energia, ou seja , com T=0. Os elétrons vão ocupar diferentes estados possíveis e discretos de energia, de forma compatível com o Princípio de Exclusão de Pauli. Mesmo em T=0, a energia do elétron não é nula. Assim como no caso do átomo de hidrogênio, existem níveis possíveis de energia para átomos de muitos elétrons. Esses níveis vão sendo preenchidos com elétrons, de acordo com regras já estabelecidas. A energia do último nível preenchido (ou semi preenchido) é a ENERGIA DE FERMI EF em T=0 para esse átomo.
| Símbolo (ELEMENTO) | N/V ( elétrons por cm3) | EF ( eV ) |
|---|---|---|
| Al alumínio | 18,1 x 1022 | 11,7 |
| Ag prata Exemplo | 5,86 x 1022 | 5,5 |
| Au ouro | 5,90 x 1022 | 5,53 |
| Cu cobre | 8,47 x 1022 | 7,04 |
| Fe ferro | 17,0 x 1022 | 11,2 |
| K potássio | 1,4 x 1022 | 2,11 |
| Li lítio | 4,7 x 1022 | 4,75 |
| Mg magnésio | 8,6 x 1022 | 7,11 |
| Mn manganês | 16,5 x 1022 | 11,0 |
| Na sódio | 2,65 x 1022 | 3,24 |
| Sn estanho | 14,8 x 1022 | 10,2 |
| Zn zinco | 13,2 x 1022 | 9,46 |
A energia de Fermi EF depende da densidade numérica N/V onde N é o número de elétrons e V o volume do metal. A energia de Fermi é representada no gráfico que mostra a probabilidade F de encontrar uma partícula, F é chamado fator de Fermi. A probabilidade de encontrar uma partícula abaixo da energia de Fermi é sempre 1 e a probabilidade de encontrar uma partícula com energia acima da energia de Fermi é zero para T=0. Apenas elétrons que ocupam a região sombreada participam de eventos como o do calor específico dos sólidos, porque apenas esses conseguem energia suficiente para mudar de nível de energia dentro das possibilidades. Dessa forma há concordância entre valores esperados teoricamente e observados na prática para o calor específico de sólidos. Uma nova definição da energia de Fermi se faz necessária:
ENERGIA DE FERMI é a energia para a qual a probabilidade do estado estar ocupado é ½ , isto é, a energia para a qual o fator de Fermi é ½.
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Teoria Quântica da condução elétrica
Na física clássica fazemos uma comparação do movimento de um elétron numa rede cristalina como se fosse de uma bolinha contra os átomos perfilados ordenadamente no cristal. Em vez disso, na mecânica quântica deve ser considerada a natureza ondulatória do elétron. Assim, consideramos uma onda do elétron se envolvendo com uma rede cristalina. O espalhamento das ondas do elétron é causado pelas impurezas ou pelos deslocamentos de átomos do cristal, causados pela vibração térmica desses átomos. O efeito final, é que embora classicamente não haja concordância entre teoria e medições experimentais, a concordância com cálculos quânticos é relativamente boa em ordem de grandeza, necessitando de pequenas correções do modelo do átomo, em cada caso específico.
Teoria das bandas
No átomo de hidrogênio, que tem apenas um elétron, a estrutura dos níveis discretos de energia é bem definida e bem conhecida. Em átomos maiores também aparecem níveis discretos de energia que são caracterizados por spin e paridade, e que devem ser preenchidos segundo certos princípios. Átomos com muitos elétrons têm também os níveis de energia, que vão sendo preenchidos como já foi dito, de modo que as características químicas aparecem “automaticamente” conforme o número de elétrons que ficam em camadas mais externas e que ficam desacoplados e, portanto, “mais livres” (embora estejam em um estado ligado). Os níveis de energia são identificados pelo spin segundo a nomenclatura s para spin 0, p para spin 1, d para spin 2, segundo regras estabelecidas por espectroscopistas , que estudaram e identificaram os espectros de diferentes átomos, desde os fins do século XIX (ainda que não associados aos spins dos níveis). Os números que antecedem cada letra indicam a ordem dos níveis, assim 1s corresponde a um spin 0 e é o primeiro nível de energia, 2s corresponde também a spin 0, mas ao segundo nível, isto é, de energia maior.
Num sólido os átomos estão localizados próximos um do outro e a estrutura de linhas espectrais fica alterada de acordo com o número de “átomos vizinhos” caracterizado na química como a valência do átomo, que representa a proximidade na formação das moléculas e resulta na estrutura tri dimensional das mesmas.
Num sólido em vez de níveis desdobrados aparecem bandas de energia permitidas e bandas proibidas.
Num condutor típico a banda de valência está parcialmente cheia de modo que os elétrons podem ser facilmente excitados para estados vizinhos permitidos. A vacância de um nível de energia, por sua vez, propicia a ocupação por outro elétron e assim sucessivamente causando a movimentação dos elétrons; dessa forma se entende como se dá a condução elétrica. Esse processo mostra como os elétrons têm a mobilidade esperada nos condutores. Já no caso do isolante a banda de valência está preenchida e a região de energia proibida é suficientemente larga de modo que dificilmente um elétron consegue passar para algum nível permitido de energia. A mobilidade dos elétrons fica inibida o que resulta no comportamento dos materiais isolantes de eletricidade.
Nos materiais semicondutores a banda proibida é bem estreita de modo que pode haver elétron com energia suficiente para passar de uma banda a outra, causando o comportamento típico do material. Esses são os semicondutores intrínsecos como o silício e o germânio. No caso do carbono a distância típica é de 0,15nm que corresponde a 7eV de energia, como pode ser visto na figura, por isso é um isolante. Já para o germânio Ge e para o silício Si a distância típica é 0,24nm, e. para essas distâncias as bandas se sobrepõem. O Ge e o Si são semicondutores intrínsecos. A estrutura do silício se forma pela ligação covalente com quatro elétrons de valência, representado num modelo bidimensional como mostrado na (Figura 6).
Semicondutores Extrínsecos
Existem semicondutores extrínsecos, que são os componentes como diodos e transistores utilizados em larga escala em aparelhos miniaturizados, que se vê cada vez menor a cada nova geração. Nesses semicondutores são adicionados de forma controlada algum elemento específico como o arsênio e o gálio num processo denominado dopagem. O arsênio tem valência 5 . Assim 5 elétrons são usados nas ligações com outros átomos. Dopando o silício Si (valência 4) com arsênio As (valência 5) obtém-se um esquema como mostra a Figura 7. O arsênio fica preso numa rede rodeado de silício, todos com 4 elétrons covalentes. Um elétron do arsênio fica sobrando e fica assim livre na rede (é o portador negativo), enquanto que o arsênio, inicialmente neutro, parece um elemento positivo preso na rede, pois tem um próton “não fortemente acoplado”. No esquema de níveis de energia aparecem conseqüentemente alguns níveis intermediários na banda até então proibida e bem próximo da banda de condução como mostra o esquema abaixo. Esses semicondutores são os semicondutores do tipo n e tem um portador negativo.
Um outro tipo de semicondutor é conseguido dopando o silício com gálio, que é trivalente, e na ligação covalente com o silício fica faltando um elétron, dizemos que fica um buraco ou vacância. O esquema bidimensional da rede cristalina está mostrado na Figura 8, junto ao esquema correspondente de níveis de energia.
O gálio é trivalente de modo que falta um elétron para fazer as ligações covalentes. É como se houvesse um buraco na rede que age como se fosse uma carga positiva. Algum elétron pode ocupar essa posição, o que é representado no esquema de níveis de energia como os níveis que aparecem na região antes proibida, logo acima da banda de valência cheia. Assim, diminui a quantidade de energia necessária para haver transferência de um elétron. O buraco é chamado de portador positivo e o semicondutor de tipo p. Na rede é como se tivesse uma carga negativa presa e o portador livre positivo fica possibilitando a transferência mais fácil de um elétron. No esquema de bandas, um elétron da banda de valência cheia pode passar para um desses níveis intermediários, que apareceram com o acréscimo da impureza, com uma energia menor que a necessária para vencer todo o “gap” antes proibido.
Figura 9: Na junção de dois semicondutores junção pn , do lado p ficam presos na rede cargas negativas e do lado n cargas positivas como mostra a figura. Aparece assim uma região com uma diferença de potencial, é a região de depleção, como se fosse um capacitor. Essa região pode ser aumentada por polarização externa reversa ou diminuída pela polarização externa direta. Entende-se assim o comportamento assimétrico do diodo que é uma junção pn, quando se aplica uma polarização externa.
Figura 10: Esquema dos níveis de energia numa junção pn não polarizada externamente.
Na Figura 11 está representado o efeito da polarização externa da junção de semicondutores pn, com a polarização direta (a), favorecendo a passagem de buracos do lado p para o n dando a corrente I. A polarização reversa (b) ao contrário inibe a difusão de buracos e de elétrons e não há condução elétrica. Dessa forma, a junção pn tem uma característica peculiar que está mostrada na Figura 12 onde se vê a curva característica de um diodo comercial, muito utilizado em circuitos eletrônicos os mais diversos. Note a diferença das escalas para valores positivos e negativos da corrente e da tensão aplicada. Quando a polarização é reversa a corrente que atravessa a junção é muito pequena apenas de alguns μA (1μA=10-6 A) até a polarização que causa a ruptura do diodo em 40 V. Por outro lado, com a polarização direta já com apenas 0,6 V a corrente que atravessa a junção é de 10mA (1mA =10-3A). Nos diodos a condução elétrica ocorre na prática apenas em uma direção e são muito utilizados em circuitos retificadores de tensão e ou para cortar sinais de determinada polaridade.
Basta comparar, por exemplo, o som de um disco comum de 78 rotações em amplificadores à válvula e a diodos e transistores. Procurem saber com pessoas mais velhas que certamente sabem a diferença. Não é só o tamanho dos aparelhos que mudaram é também a qualidade e fidelidade dos equipamentos transistorizados (não os equipamentos digitalizados). O nível de ruído de fundo diminui em muito, o que torna a reprodução mais fiel. O aperfeiçoamento correspondente em detectores de partículas é observado quando se compara um detector a gás tipo proporcional com um de barreira de superfície. Nos detectores a gás são necessários da ordem de 30eV para a criação de um par de íons. O conjunto dos pares deixados no gás do detector devidamente coletados forma o sinal elétrico, que traz a informação da energia da partícula. No caso de um detector semicondutor, como o de barreira de superfície necessita de apenas da ordem de 3 eV, o que certamente melhora a estatística na formação de pares resultando uma melhor resolução de energia, além de maior eficiência. Os pares formados nos detectores semicondutores denominados genericamente de detectores de barreira de superfície ocorrem na região de contacto de dois semicondutores tipo p e tipo n. Nas vizinhanças dessa superfície forma-se a região de depleção onde as cargas livres do semicondutor se recombinam causando uma distribuição de carga como se fosse um capacitor através das cargas presas à rede cristalina como mostra a Figura 9. Essa região pode ser aumentada externamente através de polarização reversa de uma fonte de tensão auxiliar. Quanto maior a região de depleção maior será a região disponível para a detecção eficiente de energia e partículas de energia maior podem ser detectadas. Partículas carregadas são detectadas por esse tipo de detector com ampla vantagem em eficiência e resolução em energia. A boa resolução permite a diferenciação de grupos de partículas com energia bem próximas. O termo barreira de superfície vem do fato que esses detectores são fabricados com a face dianteira como área sensível, de modo que apenas uma superfície delgada de um dos semicondutores é colocada em contato com o semicondutor do outro tipo, esse sim com espessura suficiente para detectar adequadamente a partícula carregada. A descontinuidade da superfície delgada produz a região de depleção. A face sensível do detector deve ser suficientemente delgada a fim de evitar perda de energia desnecessária, que afetaria a sua definição, o que é obtido por essa geometria adequada. A figura 13 mostra fotos de detectores de barreira de superfície, do lado esquerdo um detector de 2000 e à direita um de 1960.
LED e células solares
Um outro dispositivo muito utilizado é a célula solar, Figura 14, que é uma junção pn que tem as cargas da região de depleção aumentadas pela incidência de luz solar. Esse excesso de cargas funciona como uma pilha, que na prática chega a até 0,6V de diferença de potencial. A luz solar pode excitar um elétron da banda de valência para a banda de condução deixando um buraco extra na banda de valência. Alguns buracos podem recombinar, mas forma-se uma quantidade suficiente de buracos que se acumulam na região de depleção para ocorrer o desequilíbrio citado. Um LED (Ligth Emission Diode) é basicamente o oposto da célula solar.
LDR
As LDR (Light Dependent Resistor) são dispositivos semicondutores muito utilizados em circuitos eletrônicos que dependem da iluminação natural para o seu funcionamento. Nesses dispositivos a resistência elétrica depende da intensidade luminosa incidente na sua face. O acendimento automático da iluminação pública, por exemplo, utilizam esses dispositivos nos seus circuitos eletrônicos. O consumo adequado de energia elétrica pode ser otimizado utilizando esses dispositivos.
Meios de Comunicação
Desde o século XIX já se conhecia a transmissão de ondas eletromagnéticas pelo espaço, o que foi amplamente utilizado e aperfeiçoado ao longo dos tempos a fim de tornar os meios de comunicação cada vez mais eficiente. Basicamente o que deve ser feito com as ondas de rádio e TV é amplificar apenas as ondas cujas freqüências correspondam à estação que se quer sintonizar. Outras freqüências são consideradas ruídos eletrônicos que devem ser minimizados sem diminuir a ampliação da amplitude da freqüência sintonizada. Muitos circuitos foram desenvolvidos ainda com a tecnologia a válvulas que gastam muita energia e tomam um espaço enorme, com baixa eficiência na amplificação apenas nas freqüências de interesse. Tudo isso pode ser feito através de diferentes circuitos eletrônicos, que utilizam diodos e transistores, hoje em dia já incorporados em circuitos integrados promovendo a miniaturização cada vez maior e de melhor qualidade. Basicamente o que é feito se resume em amplificar o sinal na freqüência correta diminuindo o sinal de ruído sempre presente em qualquer ambiente. O desenvolvimento tecnológico está associado aos modelos existentes para consumo tanto em áudio como em vídeo além da telefonia sem fio.
Diodos
Uma junção pn é a base do componente amplamente utilizado em circuitos eletrônicos, os assim chamados diodos. A retificação de uma onda senoidal, por exemplo, é feita utilizando o comportamento assimétrico do diodo. É assim que uma tensão AC é transformada em tensão DC. Os níveis de energia correspondentes às regiões p e n sem polarização externa está representada na Figura 15 ( aqui repetida para facilitar a compreensão). Eg representa o “gap” de energia, isto é a região de energia onde não pode haver elétrons. São as energias proibidas quanticamente. Na Figura 16 os níveis de energia da junção pn pesadamente dopada de um diodo túnel. Em (a) sem polarização externa, há um pequeno tunelamento de elétrons nas duas direções. Em (b) com uma pequena voltagem de polarização externa, a corrente de tunelamento é aumentada numa das direções, e faz uma contribuição significativa à corrente total. Em (c) com maior aumento de polarização a corrente de tunelamento diminui drasticamente.
