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Eletrônica analógica
ESTUDO DE CASO
Autoria: Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues - Revisão técnica: Anderson Marcolino Pereira
de Oliveira
Estado da arte dos materiais semicondutores
na eletrônica analógica
O desenvolvimento de um dispositivo eletrônico discreto de estado sólido, individual, geralmente a partir de
uma estrutura de cristal rígido, será baseado no uso de materiais semicondutores de grande qualidade,
assim como o próprio desenvolvimento de dispositivos mais complexos, como os circuitos integrados
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).
Dessa forma, torna-se fundamental compreender os principais aspectos técnicos a respeito dos materiais
semicondutores, incluindo características físicas e químicas básicas, como o fato de que se tratam de
materiais de funcionamento entre os condutores e os materiais isolantes. Além disso, são de duas
classes: materiais compostos e cristais singulares.
Entre os materiais semicondutores mais utilizados, podemos mencionar o silício, o germânio e o arseneto
de gálio, mas iremos focar no silício.
De acordo com Mori, Santos e Sobral (2007), sabe-se que o silício é um dos elementos químicos mais
abundantes na crosta terrestre (cerca de 27,7%), com estrutura cristalina semelhante à de um diamante.
Ele só está presente na natureza de forma combinada.
O silício pode ser estabelecido pelo uso de um material intrínseco, semicondutor, com o mínimo possível
de impurezas. Ou, então, estruturado química e fisicamente de modo a controlar a presença de impurezas
para a produção de um material extrínseco. Sobretudo no último caso, o processo de dopagem (adição de
impurezas de certos tipos de elementos químicos) é extremamente importante para modificar propriedades
elétricas do material e garantir certas relações de resistividade e condutividade, mediante alterações de
temperatura. Isso porque a temperatura é um parâmetro que modifica diretamente a forma como o
semicondutor estabelece a condução da corrente elétrica.
Surgem, então, os materiais do tipo da dopagem do próprio silício puro ou germânio puro, com átomos
de impurezas que possuem três elétrons na camada de valência (trivalentes) para que sejam observadas
as formações de lacunas, espaços livres que permitirão o recebimento de elétrons livres. Entre os materiais
utilizados no processo de dopagem, geralmente temos o boro, gálio e índio.
Adicionalmente, os materiais do tipo
são obtidos de forma semelhante à anterior, mas, aqui, são os
átomos pentavalentes para o estabelecimento das relações físico-químicas necessárias para a obtenção
de elétrons “livres” no material. Como impurezas, nesse caso, temos o antimônio, arsênio ou fósforo.
Como você já deve se lembrar, a junção estabelecida de um material do tipo
com outro do tipo
é
fundamental para formar a junção
, base do desenvolvimento de diodos semicondutores. Além disso,
as formações
e
resultam nos transistores bipolares de junção, outros importantes exemplos de
dispositivos semicondutores individuais que recebem tal nome devido às junções duplas estabelecidas.
Referências:
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e Teoria de Circuitos. São Paulo:
Prentice-Hall, 2013.
MORI, V.; SANTOS, R. L. C. dos; SOBRAL, L. G. S. Metalurgia do silício: processos de obtenção e
impactos ambientais. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 2007. (Série Tecnologia Ambiental). Disponível em:
http://mineralis.cetem.gov.br/bitstream/cetem/328/1/sta-41.pdf
(http://mineralis.cetem.gov.br/bitstream/cetem/328/1/sta-41.pdf). Acesso em: 21 nov. 2020.
Vamos Praticar!
Assim sendo, com base no case e em
nossos estudos, desenvolva uma breve
resenha (em torno de uma página
completa) acerca do estado da arte dos
materiais semicondutores, destacando o
papel de outros materiais, como germânio
e arseneto de gálio, trazendo exemplos
práticos.
Disponibilize seu arquivo no fórum da
seção "Compartilhe".
Resposta 1
Os três principais semicondutores existentes são silício, germânio e carbono, todos compartilhando a característica de possuir 4 elétrons na última camada de valência. Embora o carbono esteja presente nessa lista, atualmente não é utilizado na fabricação de componentes eletrônicos, sendo o silício o material mais amplamente empregado.
Na produção de semicondutores intrinsecamente puros, os átomos de germânio e silício se unem compartilhando elétrons da última camada, formando assim uma estrutura cristalina.
No caso dos semicondutores extrínsecos do tipo P, é necessário adicionar elementos com 3 elétrons na última camada às estruturas cristalinas. Isso cria lacunas, resultando numa carga elétrica positiva. Já para os semicondutores extrínsecos do tipo N, é introduzida uma impureza com 5 elétrons na última camada, gerando uma estrutura com um elétron extra e, consequentemente, dopando o semicondutor de forma negativa.
Resposta 2
Os semicondutores têm um papel muito importante na sociedade e contribuíram para a revolução tecnológica que vivemos hoje. O silício é o segundo elemento químico mais abundante na Terra, representando cerca de 25% da crosta terrestre. Sua abundância e estrutura cristalina fazem com que seja amplamente utilizado em aplicações eletrônicas. Entretanto, o germânio e o arseneto de gálio também são amplamente utilizados como semicondutores.
O germânio possui uma mobilidade de cargas mais alta, por isso, mesmo sendo menos comum que o silício, é frequentemente utilizado. Como exemplo, em circuitos integrados de alta velocidade, o germânio pode superar o silício no desempenho, porém, trabalhar com germânio implica escassez de recursos e dificuldades de fabricação em comparação com o silício.
O arseneto de gálio é amplamente utilizado em dispositivos optoeletrônicos, como lasers e LEDs, devido à sua capacidade de emitir luz na faixa do infravermelho até a região visível do espectro eletromagnético, e suas propriedades semicondutoras diretas.
O processo de dopagem é um passo crucial para o desenvolvimento de semicondutores. Esse processo permite ajustar as propriedades elétricas dos materiais para atender requisitos específicos de suas aplicações. Se focarmos na dopagem de silício, este processo adiciona controladamente impurezas trivalentes, como boro e gálio, ao silício, formando materiais condutores do tipo P (impureza receptora), enquanto a dopagem de impurezas pentavalentes, como arsênio e fósforo, resultará em semicondutores do tipo N (impurezas doadoras). A manipulação desses materiais permite a criação de junções PN, fundamentais para o desenvolvimento de semicondutores como transistores e diodos.
A redução de tamanho dos transistores em circuitos integrados é um exemplo prático do estado atual dos materiais semicondutores. A Lei de Moore continua influenciando a indústria, com a densidade de transistores em chips dobrando a cada dois anos. Este avanço é viabilizado pelos progressos na tecnologia de fabricação, que incluem técnicas de dopagem mais refinadas.
Em suma, os materiais semicondutores, como silício, germânio e arseneto de gálio, são essenciais para avançar a eletrônica moderna. Com pesquisas e inovações, eles impulsionam uma variedade de aplicações, desde eletrônica de consumo até tecnologias emergentes como IoT e computação quântica.