Como funcionam os semicondutores

Autor: 
Marshall Brain

Os semicondutores têm tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e em transistores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende de semicondutores.

Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transistores é produzida com sílicio. Você já deve ter ouvido expressões como "Vale do Silício" e "economia do silício", exatamente por isso o silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico.

Em sentido horário, de cima para baixo: um chip, um LED e um transistor são todos feitos de material semicondutor

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível e, por isso, um excelente ponto de partida para entender como funcionam os semicondutores. Neste artigo, você aprenderá o que é um semicondutor, como funciona a dopagem e como um diodo pode ser criado utilizando semicondutores.

O silício é um elemento muito comum: ele é o principal elemento na areia e no quartzo, por exemplo. Se você procurar "silício" na tabela periódica (em inglês), verá que ele está ao lado do alumínio, abaixo do carbono e sobre o germânio.


O silício está posicionado ao lado do alumínio e abaixo do carbono na tabela periódica

O carbono, o silício e o germânio (que assim como o silício, também é um semicondutor) possuem uma propriedade única em sua estrutura de elétrons, cada um possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando uma reticulado. No carbono, conhecemos a forma cristalina como diamante. No silício, a forma cristalina é uma substância metálica prateada.


Em um reticulado de silício, todos os átomos do silício ligam-se perfeitamente a quatro vizinhos, não deixando nenhum elétron livre para conduzir a corrente elétrica. Isso torna um cristal de silício isolante, ao invés de condutor

Metais tendem a ser bons condutores de eletricidade, já que normalmente possuem "elétrons livres", que conseguem se mover facilmente entre os átomos e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Apesar de os cristais de silício terem aparência metálica, não são, de fato, metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, muito pouca eletricidade passa por ele.

É possível alterar o comportamento do silício e transformá-lo em um condutor dopando-o. Na dopagem, mistura-se uma pequena quantidade de impurezas a um cristal de silício.


Existem dois tipos de impurezas:

  • Tipo N - Na dopagem tipo N, o fósforo (em inglês) ou o arsênico (em inglês) é adicionado ao silício em pequenas quantidades. O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres o suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo silício. O silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N.
  • Tipo P - Na dopagem tipo P, o boro (em inglês) ou o gálio (em inglês) é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam "buracos" ou "lacunas" na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor.

Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de silício de bom isolante a um condutor viável, mas não excelente - daí o nome "semicondutor".

Os silícios tipo N e tipo P não são tão impressionantes sozinhos; mas quando você os coloca juntos, consegue um comportamento bem interessante na união dos dois.

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível. Um diodo permite que a corrente flua em uma direção, mas não na outra. Você já deve ter visto catracas em um estádio ou em uma estação de metrô, que deixam as pessoas passarem em apenas uma direção. Um diodo é uma catraca de sentido único para elétrons.

Quando você coloca juntos o silício tipo N e tipo P como mostrado nesse diagrama, obtém um fenômeno bem interessante, que dá ao diodo suas propriedades únicas.


Mesmo que o silício tipo N e o silício tipo P sozinhos sejam condutores, a combinação mostrada no diagrama não conduz eletricidade. Os elétrons negativos no silício tipo N são atraídos para o terminal positivo da bateria. As lacunas positivas no silício tipo P são atraídas para o terminal negativo da bateria. Nenhuma corrente flui pela junção, pois as lacunas e os elétrons estão se movendo na direção errada.

Se você inverter a bateria, o diodo conduz a eletricidade muito bem. Os elétrons livres no silício tipo N são repelidos pelo terminal negativo da bateria. As lacunas no silício tipo P são repelidas pelo terminal positivo. Na junção entre o silício tipo N e o silício tipo P as lacunas e os elétrons se encontram. Os elétrons preenchem as lacunas. Ambos deixam de existir e novas lacunas e elétrons surgem em seu lugar. O efeito é que a corrente flui pela junção.

Um dispositivo que bloqueia a corrente em uma direção, enquanto a deixa fluir em outra, é chamado de diodo. Os diodos podem ser utilizados de diferentes maneiras. Um dispositivo que utiliza pilhas, por exemplo, normalmente contém um diodo que o protege se você inserir as pilhas ao contrário. O diodo simplesmente bloqueia qualquer corrente que tente deixar a pilha se ela estiver ao contrário; isso protege os sensíveis componentes eletrônicos no dispositivo.

O comportamento do diodo semicondutor não é perfeito, como mostrado neste gráfico:


Se polarizado inversamente, um diodo ideal bloquearia toda a corrente. Um diodo real deixa passar 10 microampéres, o que não é muito, mas ainda assim não é perfeito. Se você aplicar suficiente tensão (V) invertida suficiente, a junção se quebra e deixa a corrente passar. Geralmente, a tensão de quebra é muito maior do que o circuito jamais receberá, então é irrelevante.

Quando polarizado diretamente, uma pequena quantidade de tensão é necessária para fazer o diodo funcionar. No silício, essa tensão é de cerca de 0,7 volts. Essa tensão é necessária para iniciar o processo de combinação lacuna-elétron na junção.

Um transistor é criado utilizando três camadas ao invés das duas utilizadas no diodo. Você pode criar tanto uma combinação NPN quanto PNP. Um transistor pode atuar como chave ou amplificador.

Um transistor se parece com dois diodos de costas um pro outro. Assim, você teria de imaginar que nenhuma corrente poderia fluir por um transistor, já que os diodos bloqueariam a corrente dos dois lados. Isso é verdade. Contudo, quando se aplica uma pequena corrente à camada central da estrutura em sanduíche, uma corrente muito maior pode fluir pelo sanduíche como um todo. Isso dá ao transistor seu comportamento de interruptor. Uma pequena corrente pode ligar e desligar uma grande corrente.

O chip de silício é uma peça de silício que pode comportar milhares ou mesmo milhões de transistores. Com transistores atuando como chaves, é possível criar portas lógicas, e com elas pode-se criar chips de microprocessador.

A evolução natural do silício para o silício dopado, para transistores e para chips é o que tornou os microprocessadores e outros dispositivos eletrônicos tão baratos e onipresentes na sociedade atual. Os princípios fundamentais são incrivelmente simples. O milagre é o constante refinamento desses princípios ao ponto que, hoje, milhões de transistores podem ser criados de forma barata em um único chip.

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