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Eletrônica Básica
Aula 01: Semicondutor  Intrínseco
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica

1   A Eletrônica  
      Em cursos anteriores,  Circuitos Elétricos em CC e CA, os circuitos elétricos foram estudados.   Circuitos elétricos são constituídos de componentes passivos  conectados entre por fios. Em um circuito eletrônico  de alguma forma  o fluxo de corrente pode ser controlado por outro dispositivo, chamado de ativo.  De uma certa forma em circuitos elétricos temos dispositivos que controlam  o fluxo da corrente, tais como chaves, potenciômetros e outros. Em eletrônica  a diferença é que ao invés de usar força mecânica  para efetuar isso, usamos dispositivos eletrônicos par esse controle.  Isto é, é a eletricidade controlando a eletricidade, essa é  a principal diferença entre esses dois mundos.
A eletrônica  é fundamentada em dispositivos semicondutores, isto é, dispositivos  construídos a partir de um tipo de material chamado semicondutor.

Semicondutor  Intrínseco
1.1  Introdução
       Os materiais usados em eletrônica  se classificam  em   condutores (Ex: cobre , alumínio,  ferro, ouro, prata, etc) e isolantes (Ex: madeira, borracha, ar, vidro, etc),  mas   existe um outro tipo de material chamado  de semicondutor (pois tem resistividade intermediaria entre condutor e isolante)  que   também é largamente  usado em    eletrônica  principalmente  depois   dos anos 50. Estes materiais   ao contrario dos condutores tem a sua resistividade alterada  quando é fornecida algum tipo de radiação (térmica  e luminosa principalmente). Devido às suas características esses  materiais são usados construção de diodos, transistores,  sensores, circuitos integrados e numa vasta gama de componentes eletrônicos.

1.2  Semicondutor  Intrínseco
     Que materiais são esses ? Quais  as suas  principais características ?  Os primeiros semicondutores usados  foram o Germânio (Ge) e   o Silício  (Si), mas outros semicondutores já estão sendo utilizados atualmente,  como Arsenieto de Gálio (AsGa) e outros.  Daremos  ênfase ao estudo considerando os dois primeiros  devido à maior quantidade de informações sobre os mesmos.
Para entendermos  as características  de um semicondutor deveremos fazer uma analise do ponto  de vista atômico (átomo).
A figura 1a mostra a estrutura  de um átomo  de Si, no qual podemos  verificar   que  o mesmo  tem 4 elétrons na camada de valencia (ultima camada). Como é essa  ultima camada   que determinará as  propriedades do Si,  a partir  de agora a só consideraremos o núcleo, positivo e  os quatro  elétrons   da camada de valencia, figura 1b


                             ( a )                      ( b )
Figura 1 -  Estrutura     simplificada do átomo de Si

               É  importante observar que  o átomo é  neutro, pois o numero de elétrons é igual ao numero de prótons.  O Si é um cristal, isto é,  o arranjo  geométrico dos átomos é feito de  forma regular e ordenada em todas as direções. No caso esse arranjo  é   chamada de cúbico, no qual  cada átomo   se liga  com  quatro átomos vizinhos  através de  ligações chamadas de covalentes.   A figura 2 mostra esse arranjo.
Obs:  Não  esquecer que na realidade os atomos estão dispostos no espaço  em 3 dimensões.


Figura 2 - Estrutura  cristalina  do Si a  0ºK      ( -273ºC) - O material se comporta como isolante

                    À temperaturas próximas do zero absoluto  (-273ºC )  o Si  se comporta como um isolante porque não existem  elétrons  livres   disponíveis para  a condução.  À medida que a  temperatura aumenta  a energia que é  fornecida   aos elétrons da ultima camada  (camada de valência ) é suficiente para  "  quebrar"   a ligação covalente   fazendo com que os mesmos se tornem livres. O extraordinário  desse fenômeno é que, além do elétron que foi liberado,  a ausência desse elétron na ligação  covalente pode se comportar como carga elétrica, e chamada de lacuna ou buraco. A fig03 mostra  a mesma estrutura da fig02 considerando que algumas ligações  covalentes foram rompidas.A quantidade de  energia necessária para quebrar uma ligação  depende  do  semicondutor, no caso do Ge é 0,72eV e para o Si 1,1eV, à temperatura  ambiente.



Figura 3 - Estrutura do  Si  a             uma temperatura acima de 0ºK ( acima de - 273ºC ) - Geração             de pares elétron-lacuna

                    Se agora for aplicado um campo elétrico (tensão  elétrica) ao cristal  uma  corrente elétrica aparecerá. O mecanismo de condução  devido aos elétrons livres já é conhecido, expliquemos  como é o mecanismo de condução devido a uma lacuna. A figura 4a  mostra o cristal de Si  sendo submetido a  um campo elétrico. Os elétrons livres se deslocarão  contra o campo elétrico, enquanto as lacunas  se deslocarão  no mesmo  sentido do campo. Mas como isso acontece? A seqüência de figuras  a seguir mostra como isso acontece. Na figura 4a, num instante t1 temos um elétron     livre (circulo preto)     e a ausência desse elétron  na ligação covalente (circulo branco).  

Instante t1

Figura 4 -  Cristal   de Si   submetido a um campo elétrico             (tensão elétrica ) num instante t1.

                       Num instante t2  um elétron  de valência, de um atomo vizinho,  caso tenha energia suficiente (quem está fornecendo  essa energia   é a fonte externa ) poderá  ocupar a lacuna, mas ao fazer isso deixa uma lacuna, e assim sucessivamente.  As figura 5 e figura 6 mostram essa seqüência. Então tudo  se passa com se   uma carga positiva estivesse se deslocando  para a direita do cristal, na realidade são elétrons de valência  que  se deslocam no sentido contrário. Observar que  esses  elétrons de valência se transformam em elétrons livres  quando entram no metal (não esqueça  o semicondutor está ligado à bateria através  de fios de cobre!!!).
Instante t2

Figura 5 - Cristal de Si  submetido a um campo elétrico ( tensão  elétrica ) num instante t2


Instante t3

Figura 6 - Cristal de Si  submetido a um campo elétrico ( tensão             elétrica ) num instante t3   

A corrente total no cristal será a soma do fluxo de elétrons  com o fluxo de lacunas: IT = Ie + I
No caso de um semicondutor intrínseco (puro) o  numero de elétrons por unidade de volume (n) é  igual ao numero de lacunas por unidade de volume (p):  
 n =  p =ni,    ni é a concentração intrínseca  do semicondutor.
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