Materiais Elétricos Semicondutores

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1 Materiais Elétricos Semicondutores Este tutorial apresenta um estudo sobre os materiais elétricos semicondutores, focando na sua fabricação nas suas aplicações em nosso cotidiano. Sérgio Gonçalves da Silva Engenheiro de Telecomunicações pela Fundação Assis Gurgacz (FAG ), bacharel em Ciências com habilitação em Matemática pela Universidade Estadual do Oeste (1991) e pós-graduado em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade Norte do Paraná (1998). Atua na Brasil Telecom desde 10/1979, sendo Coordenador da área de planejamento e projeto de redes convencionais e ópticas, com responsabilidade pela análise de indicadores operacionais, acompanhamento de obras, fiscalização de instalações e serviços de telecomunicações. Atua também como instrutor de cursos de formação em Projetos e Planejamento de Redes Convencionais. Atualmente exerce atividades na área de Comunicação de Dados e ADSL, acompanhando os circuitos críticos e os indicadores operacionais, e apresentando sugestões para melhorias nos serviços e equipamentos ADSL empregados. Foi também selecionado para a fase classificatória do I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) serginho@brasiltelecom.com.br Categoria: Sistemas de Transmissão Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 03/07/2005 1

2 Semicondutores: Introdução Os diversos materiais empregados nas telecomunicações e na eletrônica, podem ser divididos, quanto à característica de transporte de cargas elétricas, em condutores e isolantes. Esta divisão é algo simplista, já que os transistores e circuitos integrados que compõe os diversos equipamentos da indústria eletrônica são feitos de um material denominado semicondutor. Para entender-se a diferença entre os materiais, nesta classificação necessita de uma analise na estrutura da matéria. Constata-se que os materiais denominados "metais" apresentam elétrons em órbitas mais externas do átomo que são arrancados de suas órbitas com relativa facilidade. Experimente unir os pólos de uma bateria de 1,5 volts com um fio telefônico e o resultado muito rápido é a total descarga da bateria. Adicionalmente, o aumento da temperatura do fio é reveladora que alguma coisa, ou muita coisa, passou por ali. São os elétrons. A bateria possui em um dos seus pólos, elétrons em excesso em relação ao outro pólo. Ao interligar-se os pólos por intermédio do fio, os elétrons da bateria foram "empurrando" os elétrons do cobre do fio metálico, que aceitam facilmente serem empurrados. Estatisticamente é pouco provável que um elétron de um pólo da bateria chegue ao pólo oposto. São os elétrons do metal que trafegam, que são arrancados de suas órbitas. Como o efeito aparente é que os elétrons da bateria foram facilmente "conduzidos" de um pólo ao outro, diz-se então que o cobre é um "bom condutor". Um material isolante oferece uma restrição severa à passagem de corrente elétrica. Olhe para fora de sua casa, para o poste da concessionária de distribuição de energia elétrica. É muito provável que no poste exista uma ou mais hastes de vidro ou porcelana, para "isolar" a corrente e evitar curto circuitos na linha. E quem isola bem o que é? Exato, um bom isolante. E como você já percebeu, vidro e porcelana são excelentes isolantes. Essa característica depende da temperatura e da freqüência, ou seja um fio pode ser um bom condutor em uma freqüência e um mal condutor em uma freqüência mais alta. Se a linha divisória entre condutores e isolantes já é complicada, imagine que nessa área ainda existem os semicondutores. Os materiais semicondutores não são encontrados normalmente na natureza, são criados colocando-se, ou "dopando-se", materiais isolantes, como por exemplo o silício, com átomos de outros materiais, como por exemplo o boro, cuja; ultima órbita contém elétrons a mais ou a menos do que a última órbita dos átomos de silício. O tutorial é um estudo superficial destes materiais, tais como são fabricados e suas aplicações em nosso cotidiano. 2

3 Semicondutores: Classificação dos Materiais Os diversos elementos e substâncias conhecidas podem ser classificados de várias formas diferentes. Uma classificação importante em termos de propriedades elétricas é a de metais, isolantes e semicondutores. Esta classificação tem grande importância na engenharia e na física de dispositivos. Metais e isolantes Os metais, como se sabe, são bons condutores de eletricidade enquanto os isolantes não a conduzem. Os semicondutores, por outro lado, possuem comportamento intermediário, conduzindo ou não a corrente elétrica em função das condições de operação. Além desta classificação, há também uma outra que diz respeito ao modo como os átomos ou moléculas estão arranjados ou distribuídos no material. Cristais Materiais nos quais os átomos ou moléculas se distribuem de forma organizada e regular por todo o material, são classificados como materiais cristalinos ou simplesmente cristais, ou ainda sólidos. Esta última designação não se refere ao estado físico do material (vapor, líquido ou sólido), mas sim ao fato de que sua estrutura atômica se acha na forma de um sólido geométrico, tal qual um cubo por exemplo. Esta organização interna dos átomos em um cristal é responsável por uma série de propriedades importantes em aplicações industriais. Os materiais sem organização atômica interna definida, são chamados amorfos. Exemplos de materiais amorfos muito utilizados são os vidros e plásticos em geral. Semicondutores Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação, também são materiais cristalinos ou sólidos. Estas duas características combinadas conferem a estes materiais uma grande importância tecnológica. Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica, estando presentes em praticamente todos os aparelhos eletro-eletrônicos que conhecemos, desde um simples rádio a pilha até os mais sofisticados computadores. 3

4 Os Semicondutores É fácil definir o termo semicondutor se este se caracterizasse apenas por uma semicondutancia intermediaria entre os condutores e os isolantes, na realidade, o valor numérico da condutividade é uma característica definida e intermediaria entre condutores e isolantes, mas de modo algum define o comportamento funcional dos materiais e ligas pertencentes a este grupo. Pode-se considerar o valor numérico da resistividade do semicondutor como um critério falho, alem de insuficiente, pois podemos obter misturas de materiais que atendem a esse valor numérico, mas não tem comportamento semicondutor. Seguindo uma seqüência normal de determinação de características, vamos verificar a correlação entre a condutividade e a variação de temperatura; sob esse aspecto, o semicondutor apresenta, em geral, coeficiente de temperatura negativo dentro de uma determinada faixa de valores. Ao contrario do que ocorre nos metais, nos semicondutores, o numero de elétrons em deslocamento não é constante, variando esse valor com a temperatura, em razão exponencial. A condutividade elétrica de um semicondutor é sensivelmente influenciada também por eventuais perturbações da estrutura cristalina, o que, por sua vez, tem fundamental importância nos próprios processos de fabricação dos semicondutores. Tais perturbações podem ser provocadas tanto por irregularidades na estrutura cristalina, quanto e sobretudo, pela presença proposital ou acidental de impurezas. Esse grau de pureza deve atingir a níveis superiores a 10-4 impurezas por átomo de metal de base, o que bem demonstra a elevada tecnologia necessária na fabricação destes componentes. Mais dois efeitos devem ser lembrados, que também tem influencia bem maior nos semicondutores do que em outros grupos de materiais, quais sejam o efeito termoelétrico e o efeito Hall. Efeito Hall O efeito Hall consiste no fenômeno segundo o qual, perante a presença de um campo magnético dirigido perpendicularmente a um condutor, pelo qual circula corrente, aparece uma diferença de potencial nas faces opostas a circulação de corrente. Para dada orientação de corrente e campo magnético, o sentido da força eletromotriz que assim aparece "a tensão de Hall", vai depender da polaridade das cargas presentes; esse comentário quanto à orientação, é valido também para efeito termoelétrico. Devido a grande importância que representam nesses materiais a pureza e estrutura, convém fazer uma analise geral do relacionamento teórico existente entre diversos fatos. O conhecimento de alguns aspectos e de conceitos físicos ajudara também ao entendimento de certos aspectos químicos, efetuando-se pontos de ligação entre a condutividade elétrica e a ligação química dos elementos. Vejamos inicialmente os elétrons de valência - tomando como exemplo o germânio, em numero de quatro que, por sua vez, em pares, se combinam, um a um, com elétrons de valência de outros quatro átomos de germânio. Se, a esse corpo de germânio puro, acrescentarmos átomos de valencia III, ou seja, que tem três elétrons de valencia, como o caso do boro, alumínio, gálio e o índio, um dos elétrons de germânio ficará sem 4

5 ligação dupla. Essa lacuna, que assim se apresenta, poderá ser preenchida por elétrons de um átomo vizinho, abrindo-se conseqüentemente uma lacuna neste átomo, e assim, subseqüentemente. Tais deslocamentos dão origem a um movimento de lacunas, permanecendo uma falta de elétrons e conseqüentemente, uma falta de cargas negativas, e o corpo é chamado de eletropositivo, ou material tipo P. Se ao contrario, acrescentarmos ao cristal, alguns átomos de valencia V, apenas quatro desses cinco elétrons da valencia se associarão ao material de valencia IV, havendo conseqüentemente, sobra de um elétron por átomo acrescentado. Esse excesso de cargas negativas, classifica o corpo como eletronegativo, representado por N. 5

6 Semicondutores: Dopagem e Purificação Técnicas de Dopagem A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme discriminamos a seguir: Durante o crescimento do cristal: o material de base sofre um aquecimento até se transformar em massa cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de dopagem, durante esse processo térmico, o nosso cristal vai "crescendo" posicionando-se os átomos da dopagem na própria cadeia cristalina que se forma. Por liga: o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de acréscimo, formando-se assim uma liga. Apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão agregados entre si. Por implantação iônica: átomos eletricamente carregados (com íons) de material dopante em estado gasoso são acelerados por um campo elétrico e injetados na cadeia cristalina do semicondutor. O método da implantação iônica é o mais preciso e o mais sofisticado entre os mencionados, permitindo um ótimo controle tanto de posicionamento quanto de concentração da dopagem feita. Por difusão: nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são elevados a temperaturas da ordem de 1000 C e, nessas condições, colocados na presença de metais em estado gasoso (por exemplo, boro). Os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal sólido. Sendo o material sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona P. Métodos de Purificação Vejamos os três processos de purificação utilizados: Destilação e Sublimação: a acentuada influencia das impurezas sobre as características elétricas do semicondutor, leva em muitos casos a exigência de se repetir o processo de purificação sobre a matéria prima fornecida pela industria química, antes de manufatura-la. Um primeiro passo são os processos de destilação e sublimação, com o objetivo de elevar o mais possível à ação destes processos, devem ser analisados os diagramas de ebulição. A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação as modificações do estado físico eliminam o estado liquido, o que traz dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, precipitando-se freqüentemente muito próximos entre si os elementos, facilmente e dificilmente sublimáveis. A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios necessários a sua obtenção. Eletrolise: a purificação eletrolítica das matérias primas básicas pode levar a graus de pureza bastante elevados, se esta for realizada com cuidados especiais e eventualmente repetida dado numero de vezes. Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros metais menos nobres e de partículas insolúveis no eletrólito, a eficiência da separação ou eliminação simultânea de diversos metais, depende da relação dos potenciais destes metais em relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da grandeza da corrente. Método da Cristalização Dirigida: os cristais que compõem a matéria prima básica dos materiais semicondutores são obtidos pelo método da fusão, após o que o material se apresenta na forma normal de 6

7 um bastão sólido. Se o cadinho com o material em fusão é lentamente tirado do forno, o bastão se forma, com perda gradativa de temperatura; ao se analisar este bastão, observa-se que à parte que por mais tempo ficou liquida, portanto, a ultima que saiu do forno, é a que apresenta uma maior concentração de impurezas, e, por isso, é geralmente cortada. Fusão Zonal: o necessário e elevado grau de purificação faz com que, para os semicondutores, os métodos anteriores, via de regra, não tragam o resultado final desejado. O presente processo da fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois elementos em condição de equilíbrio entre a fase sólida e liquida, a composição de ambas a fase é geralmente diferente e que, no limite do diagrama de estado, as curvas liquida e sólida encontram-se segundo um ângulo definido, isto significa que mesmo no caso de uma concentração mínima de um elemento no outro, apresenta-se uma diferença de concentrações na passagem do estado liquido para o sólido. 7

8 Semicondutores: Elementos e Aplicações Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e precisa verificação dessa propriedade; em algum desses elementos a semicondutancia ainda não pode ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta estável a temperatura ambiente. Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos materiais semicondutores é encontrada nos materiais de valencia IV, o primeiro elemento é: Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é antes utilizado como condutor em alguns casos, em outros casos, como material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas condições térmicas ou químicas. Germânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em pequenas quantidades em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração do germânio é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima película de oxido, é usado para a fabricação de componentes semicondutores. Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150 C, permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que eleva o rendimento e simplifica os métodos de refrigeração. O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas rochas e em minérios. Aplicações dos Materiais Semicondutores O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo: Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta) Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero. Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas. As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade. Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa. 8

9 Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos. Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc. 9

10 Semicondutores: Conclusões Podemos através deste trabalho identificar as principais propriedades dos elementos semicondutores, bem como, as técnicas de dopagem para poder utilizar os materiais, os métodos de purificação e as suas principais aplicações dentro das atividades que iremos exercer após a conclusão do curso. Identificamos que estes elementos são de suma importância para a eletrônica digital bem como para a eletrotécnica, onde utilizamos em retificadores de corrente, reguladores de tensões e muitas outras aplicações. Bibliografia VAN VLACK, Laurence H. - Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Editora Campos Ltda., 4ª Edição, Rio de Janeiro; Schmidt, Walfredo - Materiais Elétricos, Editora Edgard Blucher Ltda, 2ª Edição, São Paulo, 1979 RUSSELL, John B., Química Geral, Editora MAKRON Books, 2ª Edição, São Paulo,

11 Semicondutores: Teste seu Entendimento 1. Semicondutores são materiais: bons condutores de eletricidade que não conduzem a eletricidade criados "dopando-se" materiais isolantes 2. São técnicas de dopagem de semicondutores: implantação iônica e difusão Destilação e Sublimação Eletrolise e Cristalização Dirigida 3. Assinale a alternativa falsa. Cristais são materiais nos quais os átomos ou moléculas se distribuem de forma organizada e regular por todo o material. Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação, também são materiais cristalinos ou sólidos. O efeito Hall consiste no fenômeno segundo o qual, perante a presença de um campo magnético dirigido perpendicularmente a um condutor, pelo qual circula corrente, aparece uma diferença de potencial nas faces opostas a circulação de corrente. Cobre é um exemplo de material semicondutor. 11