Notas de aula Eletrônica Analógica
A
estrutura do átomo
Um
átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por
prótons e nêutrons. Sendo que o número de prótons, elétrons e nêutrons é
diferente para cada tipo de elemento químico.
Os
elétrons giram em órbitas ou níveis bem definidos conhecidos como K,L,M,N,O,P e
Q representado no modelo atômico de Bohr.
Quanto
maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita. Um elétron em P tem
menos energia que um elétron na órbita Q. A energia pode ser esquematizada como
mostra a figura abaixo.
A
última órbita de um átomo define sua valência, ou seja, a quantidade de
elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de
energia externa(calor, luz, ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro
átomo através de ligações covalentes (compartilhamento de elétrons da última
órbita de ambos os átomos). Por isso o nome de órbita de valência ou banda de
valência.
Os
elétrons da banda de valência são os que têm maior facilidade de abandonar o
átomo, pois possuem uma energia maior e também por estarem a uma distância
maior do núcleo do átomo onde a força de atração eletrostática é menor. Por
isso uma pequena quantidade de energia pode ser suficiente para que esses
elétrons se tornem livres formando assim a banda de condução tornando-se
capazes de se movimentar pelo material. São esses elétrons que sob o efeito de
um campo elétrico formam a corrente elétrica.
O
fato das órbitas estarem a distâncias bem definidas faz com que surja entre
elas uma banda proibida, onde não é possível existir elétrons. O tamanho dessa
banda na última camada define o comportamento elétrico do material.
No
primeiro caso os elétrons tem que dar um salto de energia muito grande para
atingir a banda de condução. Poucos elétrons chegam à banda de condução e
produzem uma corrente muito pequena. Esses materiais são os isolantes.
No
segundo caso pouca energia é necessária para os elétrons atingirem a banda de condução.
Isso ocorre em materiais metálicos que a temperatura ambiente é suficiente para
o surgimento de uma grande quantidade de elétrons livres. Esses materiais são
os condutores.
O
terceiro caso é um intermediário entre os dois outros. O elétron precisa dar um
pequeno salto para chegar a banda de condução. Esses materiais são chamados
semicondutores.
Material
Semicondutor
Existem
vários tipos de semicondutores. Os dois mais conhecidos são o silício(Si) e o
germânio(Ge). Ambos possuem quatro elétrons na última camada e por isso podem
realizar quatro ligações covalentes com outros átomos. Existem também outros
semicondutores como o Arseneto de Gálio(GaAs) e o Fosfeto de Índio(InP) que são
formados por matérias trivalentes(três elétrons na última camada) e
pentavalentes (cinco elétrons na última camada). Estes semicondutores são
chamados intrínsecos pois se encontram em estado natural.
O
silício é o material mais utilizado devido à abundância com que é encontrado na
natureza (pode ser obtido a partir do quartzo encontrado na areia), e, portanto
é mais barato.
Condução
nos Semicondutores
A
figura abaixo mostra que um elétron ficou livre após receber energia
suficiente.
Após
um tempo observou-se que o íon positivo “andou” conforme mostra a figura
abaixo.
O
movimento do íon positivo pode ser chamado de movimento de cargas positivas,
chamadas de lacunas. O movimento de
cargas negativas, os elétrons, significa a mesma coisa que o movimento das lacunas só que no sentido
contrário.
Este
fenômeno sempre ocorre quando há condução elétrica. Em um condutor, por possuir
muitos elétrons livres o movimento das lacunas é desprezível. Porém o movimento
das lacunas não pode ser desconsiderado nos materiais semicondutores.
Semicondutores Tipo P e Tipo N
Se
forem adicionados ao cristal de silício, átomos de um material que possua cinco
elétrons na última camada como por exemplo: Arsênio (As), Antimônio (Sb) e
Fórforo (P). Estas impurezas irão assumir a mesma estrutura do silício e
realizar quatro ligações covalentes com seus átomos vizinhos sobrando então um
elétron livre. Por isso essas impurezas pentavalentes são chamadas de impurezas
tipo N. Desta forma o número de elétrons livres será maior do que o número de
lacunas. Como elétrons livres são cargas elétricas negativas, este semicondutor
é chamado de tipo N.
Se
forem acrescentados ao cristal de silício, átomos de um material que possua
três elétrons na última camada como por exemplo: Alumínio(Al), Boro(B) e
Gálio(Ga). Este átomo também irá assumir a mesma estrutura do cristal e
realizará as ligações covalentes sobrando dessa vez uma ligação a fazer. Ao
contrário do tipo N, teremos aqui um número maior de lacunas. Como o número de
lacunas é maior do que o de elétrons esse semicondutor é chamado tipo P.
Este
processo é chamado de dopagem, e as impurezas também são chamadas de dopantes.
No caso do Arseneto de Gálio não existe uma dopagem propriamente dita. Os
semicondutores tipo P são obtidos com o aumento da dose de arsênio (As) e tipo
N com o aumento da dose de Gálio(Ga).
Referências
Bibliográficas
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MARQUES, Angelo Eduardo B.; CRUZ, Eduardo
Cesar A.; CHOUERI JR., Salomão. Dispositivos Semicondutores: Diodos e
Transistores. 12.ed. São Paulo: Érica, 2010.
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