O que são semicondutores? Entenda como funcionam

O desenvolvimento de toda indústria eletroeletrônica se deu por conta dos avanços em pesquisas de condutibilidade elétrica de itens: assim surgiram os materiais semicondutores. Eles figuram entre as invenções que possibilitaram o uso de smartphones e notebooks em escala global.

Ao longo do artigo, abordamos exatamente esses tipos de produtos. Apresentamos o princípio de funcionamento, explicando como e por que ele ocorre em nível molecular. Você aprenderá, ainda, o que é um processo de dopagem de materiais, e terá muito mais conhecimento acumulado ao final da leitura. Aproveite!

Quais são os tipos de materiais elétricos existentes?

No mundo dos materiais elétricos, existem apenas três possibilidades de classificação quando o assunto é condutibilidade. Um dado elemento pode, portanto, conduzir um grande fluxo de cargas de origem elétrica quando se aplica uma diferença de potencial em seus terminais. Neste caso, o item é classificado como condutor de energia elétrica.

Em sentido oposto a essa situação, aparecem os materiais isolantes. Quando submetidos a uma diferença de tensão, eles conduzem pouca ou nenhuma corrente elétrica. Isso ocorre porque suas propriedades físico-químicas o colocam como elementos de baixa condutividade elétrica.

No meio-termo desses dois polos de classificação, encontram-se os materiais semicondutores, cuja versatilidade impressiona. O desenvolvimento da eletrônica se deu em grande parte por conta de sua existência: semicondutores são elementos que se comportam originariamente como isolantes, mas viram condutores a partir da alteração de algumas de suas características naturais.

O que são semicondutores?

Conforme já explicitado, os semicondutores consistem em materiais que se comportam como isolantes mas que, se manipulados, tornam-se condutores e passam a conduzir a energia elétrica. A maioria massiva de dispositivos semicondutores são fabricados essencialmente por meio de dois elementos: o silício (Si) e germânio (Ge).

Basicamente, a preferência por esses materiais se justifica por dois fatores: o primeiro deles é a possibilidade de fabricação de dispositivos com alto grau de pureza, o que comumente se chama de materiais intrínsecos.

O segundo motivo tem relação direta com a modificação abrupta que se pode realizar em sua estrutura por meio de um processo conhecido como dopagem. Aliás, é assim que o material passa da condição de isolante para a de condutor, caracterizando-se como semicondutor.

Como os semicondutores funcionam?

Para entender o funcionamento de um material semicondutor, é importante saber que ele possui quatro elétrons livres em sua camada de valência. Dessa forma, caracteriza-se como um elemento instável, podendo (e buscando) fazer ligações químicas com outros elementos para se tornar estável.

Quando essa estabilidade acontece, o semicondutor passa a exercer características de condutibilidade. E é manipulando exatamente essas peculiaridades que seu funcionamento e aplicação viram possibilidades ao alcance.

Existem duas formas de alterar tal aspecto: a primeira delas é imprimindo uma variação na temperatura. Em situações de baixa temperatura, o elemento tem sua camada de valência preenchida por outros elétrons. No entanto, conforme a temperatura se eleva, mais energia é fornecida a esta camada, fazendo com que os elétrons que estão nela se desprendam e fiquem livres, passando a conduzir corrente elétrica.

A segunda forma (e mais usual) se dá por meio do processo chamado de dopagem. Basicamente, o procedimento consiste em adicionar outros elementos à constituição do semicondutor. Esse novo material é denominado impureza e, por meio dele, possibilita-se alterações nas características primárias dos semicondutores, fazendo com que se transformem em condutores de energia.

Como se dá o processo de dopagem?

Enquanto o semicondutor totalmente puro é chamado de material intrínseco, o mesmo material, quando já dopado, recebe o nome de material extrínseco. Este último pode, portanto, ser do tipo N ou do tipo P. A diferenciação se nota a partir do átomo usado para realizar o processo.

Na dopagem do tipo N, usa-se como elemento dopador o silício ou o fósforo. A razão da escolha reside no fato de que os elementos possuem cinco elétrons em sua camada de valência. Assim, serão estabelecidas quatro ligações nas camadas de valência dos elementos e sobrará um elétron livre. Como consequência, o material extrínseco resultante apresentará carga elétrica negativa (daí ser do tipo “N”).

Já na dopagem do tipo P, acontece o contrário: o material resultante será carregado positivamente, pois o elemento utilizado no processo de dopagem pode ser o boro, o índio ou o gálio, elementos trivalentes. Assim sobrará uma lacuna, que nada mais é do que um espaço livre; este espaço atribuirá características positivas ao material extrínseco resultante.

Quais são os principais tipos de semicondutores?

Com a incrível capacidade de maleabilidade em suas características originais, os semicondutores apresentam larga aplicação na indústria eletrônica. Praticamente todos os equipamentos dessa natureza carregam algum tipo de semicondutor em sua composição. É bem provável que você os tenha em casa e nem saiba.

Para tanto, diferentes tipos de semicondutores são utilizados. Um deles é o transistor bipolar de junção, também conhecido como TBJ. Tratam-se de elementos constituídos por três camadas de semicondutores. Assim, podem formar uma sequência de ligação do tipo P-N-P ou N-P-N, de acordo com o interesse que se tem que o circuito elétrico exerça.

Outro grande expoente dos semicondutores: o diodo. De fato, sua aplicação é muito comum, em especial, porque existem vários tipos de diodos. Na essência, um diodo funciona como uma válvula num sistema hidráulico que regula a passagem de água: ele permite que a corrente elétrica tenha fluxo em um sentido, mas a impede de fluir na direção contrária.

Vale destacar um tipo especial de diodo que se tornou bastante popular nos últimos anos e hoje tem grande aplicação: o diodo LED. Sua sigla significa light emitting diode, ou seja, diodo emissor de luz.

Os semicondutores são muito importantes para toda a indústria eletrônica. Sem seu desenvolvimento, os dispositivos que utilizamos com frequência hoje, como celulares, tablets e notebooks, certamente não existiriam. Entender sobre seu funcionamento pode ser bastante útil para conhecer melhor esses aparelhos que facilitam tanto a nossa vida e permitem a interação humana com cada vez mais velocidade.

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