A Revolução dos Semicondutores: Introdução Abrangente

A evolução recente na eletrônica deve-se a um material especial que permitiu grandes conquistas. Hoje, breve introdução sobre esses materiais preciosos: Semicondutores. Há ~20 anos, tubos a vácuo em várias formas/tamanhos dominavam a indústria. Eram bons para a época, mas semicondutores mudaram tudo: leve, pequeno, construção simples, confiável, eficaz, baixo custo, baixa geração de calor.

Teoria dos Semicondutores:

Material semicondutor = propriedades elétricas entre isolantes e bons condutores (ex: germânio, silício). Outra definição: material que opõe corrente com 10² Ω·cm. Silício é o mais usado, mas existem carbono, germânio, arsenieto de gálio. Segundo bandas de energia à temperatura ambiente: banda de condução vazia, banda de valência parcialmente preenchida. Entre elas, pequeno gap (~1eV). Resistência diminui com aumento de temperatura (gap "aperta"). Por isso, coeficiente de temperatura negativo.

• Termos importantes no estudo de semicondutores.

• Elétrons de Valência

Elétrons na última camada/órbita ao redor do núcleo. Átomo estável quando camada de valência completa (máx. 8 elétrons). Completa → nenhum elétron entra/sai. Silício e germânio têm 4 elétrons de valência. Silício descoberto 1823, germânio 1886.

• Camadas de Energia

Trajetórias ao redor do núcleo onde elétrons giram. Elétron mais distante = maior energia vs. elétron em camada próxima. Elétrons próximos ao núcleo = fortemente ligados. Átomos ganham energia → elétron salta para camada superior; perde energia → volta à original. Átomo é eletricamente neutro (elétrons = prótons).

• Ligações Covalentes / Ligação Atômica

Átomo de silício: 2 elétrons (1ª camada), 8 (2ª), 4 (valência/3ª). Verdade para átomo isolado. Quando átomos se combinam, formam estrutura cristalina sólida automática por ligação covalente. Ligação covalente = átomos compartilham elétrons de valência. Átomo = estável eletricamente, instável quimicamente. Dois átomos iguais compartilham elétrons para estabilidade.

• Elétrons Livres e Lacunas (Holes)

Ao aumentar temperatura do zero absoluto, energia térmica vibra cristal Si/Ge. Elétron excitado emite-se da camada de valência → elétron livre (sem efeito do núcleo). Deixa vaga que age como carga positiva (lacuna/hole). Processo ocorre em todos átomos → grande número de elétrons livres e lacunas.