Introdução

Os materiais semicondutores são elementos em que a resistência posiciona-se entre a dos condutores e a dos isolantes. A estrutura do elemento pode ser considerada como isolante, semicondutor ou condutor. Atualmente os principais componentes dos equipamentos eletrônicos são dispositivos semicondutores tais como: diodos, transistores e circuitos integrados. Seu emprego deve-se à habilidade de controlar o fluxo de corrente, executando as mesmas funções das válvulas eletrônicas, porém com grandes vantagens como tamanho, peso e durabilidade.

A utilização dos dispositivos semicondutores levou à eletrônica uma importância muito grande. Os conceitos dos dispositivos semicondutores se iniciaram no início do século.

Em 1906 descobriu-se que determinados cristais, em contato com uma ponta metálica, tinham a propriedade de conduzir corrente elétrica somente numa direção, criava-se então, o diodo sólido.

Iniciaremos nosso estudo com o conceito de condutores antes de partirmos para os semicondutores.

Condutores

O cobre é um bom condutor. A razão é evidente quando observamos sua estrutura atômica Figura 1. Existem 29 prótons (cargas positivas) no núcleo do átomo do cobre. Quando um átomo de cobre tem uma carga neutra, 29 elétrons (cargas negativas) circulam o núcleo como os planetas em torno do Sol. Os elétrons viajam em órbitas distintas (também chamadas de camadas). Existem 2 elétrons na primeira órbita, 8 elétrons na segunda, 18 na terceira e 1 na órbita externa.

Figura 1. Átomo de cobre. Fonte: Malvino; Bates, 2011.

O núcleo positivo da Figura 1 atrai os elétrons planetários. A razão que impede esses elétrons de se chocarem com o núcleo é a força centrífuga (externa) criada pelo seu movimento circular. A força centrífuga é exatamente igual à força de atração do núcleo, de modo que a órbita fica estável. A ideia é similar ao satélite que orbita a Terra. Com uma alta velocidade e com o valor certo, um satélite pode permanecer numa órbita estável na Terra.

Quanto maior a órbita de um elétron, menor a atração do núcleo. Em uma órbita externa um elétron circula mais lentamente, produzindo uma força centrífuga menor. O elétron mais externo na Figura 1 circula o núcleo muito lentamente e quase não sente sua atração.

Em eletrônica, tudo o que importa é a órbita mais externa, também chamada de órbita de valência. Essa órbita controla as propriedades elétricas do átomo. Para enfatizar a importância da órbita de valência, definimos o núcleo de um átomo como núcleo dos prótons com todas as órbitas internas. Para um átomo de cobre, seu núcleo envolve os 29 prótons mais seus 28 elétrons das órbitas interiores.

O núcleo de um átomo de cobre tem uma carga líquida de +1 porque contém 29 prótons e 28 elétrons nas órbitas interiores. A Figura 2 ajuda a visualizar o núcleo e sua órbita de valência. O elétron de valência está na maior órbita em torno do núcleo e tem uma carga líquida de +1. Por isso, a atração sentida pelo elétron de valência é muito baixa.

Figura 2. Diagrama do núcleo de um átomo de cobre. Fonte: Malvino; Bates, 2011.

Com a atração entre o núcleo e o elétron de valência é muito fraca, uma força externa pode deslocar facilmente este elétron do átomo de cobre. É por isso que sempre chamamos o elétron de valência de elétron livre. É por isso também que o cobre é um bom condutor. O menor valor de tensão pode fazer os elétrons livres se deslocarem de um átomo para o próximo. Os melhores condutores são prata, cobre e ouro. Todos têm um diagrama de núcleo como o da Figura 2.

Semicondutores

Os melhores condutores (prata, cobre e ouro) possuem um elétron de valência, enquanto os melhores isolantes possuem oito elétrons de valência. O semicondutor é um elemento com propriedades elétricas entre as do condutor e as do isolante.

Muito empregado em equipamentos eletrônicos, os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com uma grande facilidade. Isso se deve ao fato de que os semicondutores apresentam uma banda proibida intermediária.

A banda proibida é a região entre as bandas de valência, ou camada de valência do átomo, e a banda de condução (região onde, sob ação de um campo elétrico, se forma a corrente elétrica).