Importancia de se estudar semi-condutores

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POR QUE ESTUDAR SEMICONDUTORES?
por Harley A. Koyama Sato

Semicondutores são os materiais que, devido a processos tecnológicos, em um dado momento são bons condutores e, em outros, bons isolantes. Tais processos existem em quantidade inumerável. Neste artigo, vamos nos ater apenas a um processo, que é a chamada junção P-N. Este processo tem como produto um bipolo chamado diodo, que é bomcondutor em um sentido de passagem de corrente e bom isolante em outro. Suas aplicações são fundamentais no nosso cotidiano, nas nossas relações externas e no campo da Medicina, por exemplo. Símbolo do diodo e sentido permitido para a corrente:

O PROCESSO DE JUNÇÃO P-N
Existem semicondutores puros e impuros. Tomemos como exemplo o silício, material semicondutor mais utilizado atualmente. Suaestrutura é composta de infinitos átomos de silício unidos através de ligações covalentes, que são quatro por átomo — pois silício é da família 4A, tem quatro elétrons na sua camada de valência e necessita de mais quatro elétrons para ficar estável (teoria do octeto). Observe a estrutura
— — Si — Si — — — — — Si — Si — — —

fica negativo, pois recebeu elétrons; e o N fica positivo, pois perdeuelétrons. Se um lado fica positivo e outro negativo, ocorre a formação de um campo elétrico do positivo para o negativo, ou seja do pedaço N para o pedaço P. Devido ao campo elétrico, surge uma força nos elétrons contra seu movimento (difusão), e o fluxo de elétrons vai tornar-se nulo, estabelecendo-se o equilíbrio. Acabamos de fabricar um diodo com as características descritas no início do artigo, ondeos pólos de ligação são os lados opostos à região de contato.

P N
E


A estrutura desenhada é do silício puro, pois só vemos átomos de silício. Nos semicondutores impuros, a estrutura é a mesma, só que com alguns átomos diferentes do silício. Tais átomos podem ter maior ou menor número de elétrons na sua camada de valência. Se apresentarem maior número de elétrons, quatro elétrons vão seligar, mas os demais não se ligarão, ficando livres no material. Esse material, que tem excesso de cargas negativas livres, é chamado de tipo N (negativo). Se o átomo diferente apresentar menor número de elétrons na camada de valência, todos vão se ligar, só que não haverá quatro ligações como antes, e sim um número menor, ocasionando o aparecimento de buracos na estrutura devido à falta deligações. Tal material é chamado de tipo P, pois os buracos são considerados como cargas positivas. Peguemos agora um pedaço de material tipo N e outro tipo P e façamos uma junção deles, ou seja, vamos juntar um pedaço a outro, lado a lado (vide figura a seguir). Quando fazemos a junção, elétrons do material N (grande número de elétrons livres) migram, por difusão, para o material P (grande número deburacos). Os materiais, inicialmente neutros, começam a ficar carregados: o P

Obs.: E - vetor campo elétrico Vamos agora ligar nosso diodo, colocando-o em série com uma bateria. Primeiro liguemos o lado P ao pólo positivo e o lado N ao negativo. Surgirá um campo elétrico do sentido do P para o N, ou seja, do maior para o menor potencial. O sentido deste campo é contrário ao do campo da figuraanterior, o que vai causar um enfraquecimento do mesmo. Agora, ligando a bateria ao contrário, o campo que vai surgir tem o mesmo sentido do campo da figura acima, reforçando-o. Como o campo é que estava anulando o fluxo total de elétrons, se o enfraquecermos, o fluxo deixará de ser nulo. Já se o reforçarmos, aí é que o fluxo será nulo mesmo. Como corrente é tão somente movimento de elétrons, e seusentido, por convenção, é contrário ao do fluxo de elétrons, concluímos que podemos ter corrente do P para o N, mas não do N para o P. Nosso bipolo, então, é bom condutor para a corrente no sentido do P para o N, e é isolante do N para o P.



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Só o fato de deixar passar corrente somente em um sentido já apresenta uma grande aplicação....
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