FUNDAMENTOS
DE ELETRÔNICA ANALÓGICA
INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA ANALÓGICA
FÍSICA DOS SEMICONDUTORES
FABRICAÇÃO DE SEMICONDUTORES
SENTIDO REAL E CONVENCIONAL DA CORRENTE
INTRO
Podemos considerar a eletrônica analógica como um dos principais pilares nos quais sustentam este grande boom na evolução tecnológica a qual vivenciamos. Teoremas, boas práticas, leis e uma infinidade de descobertas que no passado delinearam o rumo na evolução da eletrônica, serviram como base para novas descobertas e continuam presentes em nosso cotidiano, no desenvolvimento do mais simples ao mais sofisticado circuito eletrônico.
No passado, uma simples fonte de alimentação chaveada desenvolvida com objetivo de alimentar um equipamento qualquer era sinônimo de desafio, tanto pelo desenvolvimento eletrônico em si quanto pelo resultado final do produto (tamanho, peso, envelopamento etc.).
Fazendo uma analogia com os dias de hoje, temos disponibilizados, pelos grandes fabricantes de componentes eletrônicos, módulos chaveados já encapsulados e validados, nos quais, apenas temos o trabalho de escolher o que melhor atenda às especificações do projeto e assim utilizá-los. Tudo graças à evolução da eletrônica.
Nessa disciplina de eletrônica analógica, estaremos relembrando a física dos semicondutores que de fato é a base para o entendimento dos diodos, transistores e amplificadores operacionais, que serão abordados ao longo deste estudo.
OBJETIVOS
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Promover ao aluno um contato direto aos componentes semicondutores básicos aplicados à eletrônica analógica despertando, assim, uma visão crítica para projeto e análises futuras de circuitos eletrônicos.
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Analisar os conceitos abordados pelo material, bem como ser capaz de implementar soluções criativas baseada em técnicas e exemplos abordados.
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Compreender a importância dos semicondutores e afins no desenvolvimento da eletrônica, utilizando, dessa forma, o conhecimento adquirido para implementação e resolução de problemas correlacionados.
Com o passar dos tempos e a evolução nos setores eletrônicos, foi possível, mediante grandes estudos e descobertas revolucionárias, a evolução extraordinária em que a humanidade vive hoje. Podemos listar alguns fatos marcantes como a criação do rádio, da TV, do telefone, entre outros tantos. Em particular o telefone que possibilitou a comunicação entre as pessoas que, no passado, acontecia via cartas, de forma imediata. Nos dias modernos, as pessoas não necessitavam esperar dias para uma resposta, podem tê-las no momento que desejarem em apenas um click.
Toda essa evolução permitiu chegarmos aos dias de hoje, em que o número de telefones celulares mundial está quase superando o número da população. Imagine os dias de hoje sem o papel impar da evolução da eletrônica, onde estaríamos agora? Sem falar nos equipamentos voltados para a área médica, os quais permitiu diagnósticos mais precoces favorecendo, assim, ao paciente, um tratamento mais prematuro, aumentando, assim, em muito, suas chances de cura. Seria possível viver sem essa evolução?
Introdução à eletrônica analógica
O início da história da eletrônica deu-se há muito tempo, mais precisamente no século XVII, quando foi observado, na Grécia, pelo filósofo Tales de Mileto, que o âmbar atritado era capaz de atrair objetos, ou seja, era a carga estática induzida sobre o dispositivo. Mais tarde, Benjamin Franklin, em seus estudos, considerava a eletricidade como um fluxo que se deslocava de um corpo para outro. Quando esse fluxo se deslocava de um corpo com menos carga para um com mais carga, então era dito que esses corpos eram negativos e positivos, respectivamente. Esse conceito de fluxo elétrico foi refinado, ainda no século XVII, por Charles Coulomb.
Já no século XVIII, graças aos estudos e experiências de Michay Faraday e James Clark Maxwell, ocorreu uma enorme disseminação do conhecimento da eletricidade e do magnetismo. Nessa mesma época, G.R. Kirchoff desenvolveu as tão conhecidas Leis de Kirchoff no meio eletrônico e J.J. Thomson descobriu e determinou que a carga do elétron era negativa.
Em meados do século XIX, aconteceu um capítulo impar na história da eletrônica. John Barbeen, Walter Bratain e Willian Shokley, todos da Bell Telephone Laboratories desenvolveram um componente eletrônico, o transistor BJT, que, sem dúvida alguma, revolucionou todo o conceito de eletrônica até então conhecido. Com a descoberta dos transistores, permitiu-se a inicialização do desenvolvimento de outros componentes eletrônicos baseados em semicondutores, tais como os circuitos integrados no qual deu-se origem a outros importantíssimos componentes eletrônicos como amplificadores operacionais, comparadores, memórias, microcontroladores, microprocessadores etc.
INTRODUÇÃO
A descoberta dos materiais semicondutores permitiu à eletrônica, de um modo geral, a evoluções imensuráveis no desenvolvimento de componentes eletrônicos. Os microprocessadores de nossos computadores ou telefones celulares possuem milhares de transistores interconectados, que não seriam possíveis sua realização se não fossem os materiais semicondutores.
Para entendermos melhor os semicondutores, é importante termos claramente em mente a ideia do que são condutores e isolantes.
A condutividade elétrica (σ) é utilizada para especificar o material quanto a sua característica elétrica, ou seja, o quão fácil é o material na condução de uma corrente elétrica. Para tal, tem-se que:
Como pode ser notado na equação acima, a condutividade elétrica é inversamente proporcional à resistividade ρ. Essa condutividade baseia-se no fato dos elétrons da última camada de cada átomo, elétrons livres, serem capazes de migrarem para átomos vizinhos, logo o número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade. Alguns materiais sólidos possuem boas características de condutividade e outros com características não tão boas. Podemos classificar os materiais sólidos em 3 (três) grupos quanto sua condutividade elétrica, são eles: condutores, isolantes e semicondutores.
Condutores
Para os materiais condutores, os elétrons livres da última camada estão fracamente ligados ao núcleo. Dessa forma, podem ser arrancados facilmente. Possuem apenas um elétron na camada de valência. Um condutor, por exemplo o ferro, possui apenas dois elétrons na última camada, que podem ser arrancados com facilidade do núcleo, por isso dizemos que ele é um bom condutor. São exemplos de condutores elétricos os metais em geral, tais como cobre, ferro, ouro e prata.
Existe um fenômeno físico que foi descoberto em 1911 pelo físico holandês Kamerlingh Onnes. Em seus estudos ele verificou que determinadas substâncias quando em temperaturas extremamente baixas, muito próximas do zero absoluto, apresentavam resistência elétrica praticamente nula, ou seja, os elétrons livres que fazem a condução da corrente elétrica podiam transitar livremente na estrutura cristalina. Observado pelo físico, esse fenômeno ficou conhecido como supercondutividade e o material que se encontra nesse estado é denominado de supercondutor.
No mercúrio esse fenômeno ocorre à temperatura de 4 Kelvin (-269,15°C), já o chumbo à temperatura de 7K (-266,15° C).
A supercondutividade é muito importante e tem larga aplicação. Essa propriedade não se limita apenas à aplicação na transmissão de energia elétrica, mas também em outras tais como:
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Construção de magnetos supercondutores capazes de gerar campo magnético extremamente forte. Uma utilização, por exemplo é a construção dos chamados aceleradores de partículas.
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Aparelhos eletrônicos que funcionam à base de eletricidade, diminuindo o seu tamanho e seu gasto de energia.
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Fios supercondutores utilizados em computadores, permitindo que os chips sejam cada vez menores e mais rápidos no processamento de dados.
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Em ímãs, permitindo que eles possam flutuar sobre a superfície de um material supercondutor. Esse fato possibilita a construção e operação dos chamados trens bala, os quais trafegam apenas flutuando sobre o trilho.
Isolantes
Para os materiais que não conduzem eletricidade, ou seja, não há movimento das cargas elétricas, são caracterizados como isolantes.
Para estes materiais, quando aplicado uma diferença de potencial entre as suas extremidades, não há movimento dos elétrons livres. Nesse caso, os elétrons livres da última camada estão fortemente ligados ao núcleo. Possuem oito elétrons na camada de valência. Os materiais isolantes são utilizados, por exemplo, para isolação de fios elétricos de alta potência.
Os materiais isolantes elétricos possuem uma característica chamada de rigidez dielétrica essa característica trata do fato de que essas matérias suportam um determinado valor máximo de campo elétrico. Se esse valor máximo for ultrapassado, o material, mesmo que isolante, passará a se comportar como condutor, ou seja, rompeu-se a rigidez dielétrica do material e passasse então a circular uma corrente elétrica. O papel por exemplo, para ter sua rigidez dielétrica rompida, são necessários 16 kV/mm, ou seja, são necessários 16.000 volts para cada milímetro de papel.
Dentre os vários isolantes podemos citar como exemplos: borracha, isopor, papel, vácuo, vidro, lã, madeira, plástico etc.
Semicondutor
A própria expressão “semicondutor” apresenta uma sugestão sobre sua característica. O prefixo “semi” é normalmente aplicado a uma faixa de níveis situada entre dois limites. Um semicondutor é, portanto, o material que possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
Tipicamente os elementos químicos puros mais usados como semicondutores são o germânio e o silício uma vez que são amplamente utilizados pela indústria de eletrônicos. O silício é muito mais utilizado, mas o germânio tem ainda continua com uma modéstia produção.
Esses elementos apresentam estrutura cúbica cristalina que consiste em uma repetição tridimensional de uma célula primitiva, tetraedro. Essa estrutura se forma devido à característica covalente da ligação química.
Estrutura atômica
Quando observamos o meio ambiente sob os olhos da física, percebemos que todos os materiais na verdade são compostos por moléculas que, por sua vez, são constituídas de átomos. Os átomos, bem como as moléculas, são constituídos por partículas ainda menores, denominadas de prótons, elétrons e nêutrons. Podemos visualizar essas partículas por meio da Figura 2. Portanto, é definido que:
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Prótons: possuem cargas elétricas positivas.
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Elétrons: possuem cargas elétricas negativas.
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Nêutrons: ausência de cargas elétricas.
Para uma melhor compreensão dos estudos de semicondutores é de fundamental importância o entendimento da estrutura do átomo, que aqui é mostrado pelo modelo atômico de Bohr ou Rutherford-Bohr, pois foi um aperfeiçoamento do cientista Bohr para o modelo de Rutherford. Segundo Bohr, os elétrons permanecem incessantemente girando nas camadas externas ao redor do núcleo do átomo, em uma analogia ao nosso sistema solar.
O modelo de Bohr define que:
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O átomo é formado por um núcleo, com prótons e nêutrons, e níveis de energia quantizados onde estão os elétrons. Os níveis de energia também são chamados de camadas.
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Os elétrons são distribuídos em sete camadas (períodos da tabela periódica) denominadas: K, L, M, N, O, P e Q, com no máximo 2, 8, 18, 32, 32, 18 e 8 elétrons, em cada camada respectivamente.
Existe um modelo auxiliar para a configuração dos elétrons dos átomos e dos íons através de subníveis de energia. Este método échamado de Diagrama de Linus Pauling em homenagem ao seu criador Linus C. Pauling, ou Diagrama de Distribuição Eletrônica e auxilia na determinação de algumas características dos átomos.
Este modelo apresenta também uma distribuição em subníveis, sendo definidos como: s p d f
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s = sharp (nítido) com até 2 elétrons.
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p = principal com até 6 elétrons.
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d = diffuse (difuso) com até 10 elétrons.
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f = fundamental com até 14 elétrons.
Partido deste esquema, uma combinação de camadas, subníveis e elétrons, Pauling organizou os elétrons
seguindo uma ordem crescente de energia nos diferentes subníveis.
Seguindo as setas diagonais, veja Figura 3, montamos a sequência do Diagrama de Linus Pauling:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6.
Para a utilização do Diagrama de Linus Pauling deve se seguir o seguinte procedimento:
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Devemos observar o número atômico do átomo que vamos trabalhar, pois este é igual ao número de elétrons. A partir deste fator faremos a distribuição eletrônica.
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Distribua os elétrons de cima para baixo em diagonal, respeitando a ordem crescente de energia dos subníveis.
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Coloque o número máximo de elétrons em cada subnível deixando para o último subnível o que resta para totalizar os elétrons do átomo.
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Some os elétrons distribuídos para não ultrapassar o valor do número atômico.
Por exemplo, para os átomos de Carbono (6) e Sódio (11) a distribuição fica da seguinte maneira.
C6 = 1s2 2s2 2p2
Na11 = 1s2 2s2 2p6 3s1
Figura 3. Diagrama de Linus Pauling.
Átomos de germânio e silício
Para um elemento atômico ser classificado como semicondutor, ele deve possuir apenas quatro elétrons em sua camada de valência ou órbita mais externa. O germânio e o silício possuem esta característica e suas camadas orbitais podem ser vistas na figura a seguir.
Figura 4. Átomo de germânio e silício.
Átomo de germânio
Um átomo de germânio possui um núcleo com 32 prótons e seus elétrons estão distribuídos em suas camadas orbitais externas. Esta distribuição acontece da seguinte forma: 2 elétrons estão compondo a primeira órbita, 8 na segunda órbita, 18 na terceira órbita e 4 elétrons na quarta órbita ou órbita de valência. Portanto, o germânio, como todos os materiais semicondutores, possui apenas 4 elétrons em sua camada de valência.
Átomo de silício
O silício é o material mais conhecido e também mais comumente utilizado como semicondutor. Um átomo deste material isolado é composto por 14 prótons em seu núcleo e 14 elétrons distribuídos em suas órbitas externas, da seguinte forma: 2 elétrons estão compondo a primeira órbita, 8 elétrons na segunda órbita e 4 elétrons na terceira órbita ou órbita de valência.
Bandas de energia
Como mencionado anteriormente, os elétrons giram ao redor do núcleo em regiões, ou orbitais. Esses orbitais são num total de 7 e recebem o nome de camadas ou bandas de energia como ilustra a Figura 5. Em um átomo, a banda mais externa ao núcleo é chamada de camada de valência ou banda de valência. Os elétrons desta camada têm função muito importante, pois na maioria das vezes, são eles que participam das reações químicas e dos fenômenos elétricos.
Os átomos com 1, 2 e 3 elétrons, na camada de valência, têm certa facilidade em cedê-los, transformando-se assim em íons positivos;
o alumínio (Al), o cálcio (Ca), o sódio (Na) etc.
Os átomos com 5, 6 e 7 elétrons, na camada de valência, têm facilidade em ganhar elétrons, transformando-se em íons negativos;
o fósforo (P), o oxigênio (O), o cloro (Cl) etc.
Os átomos com 4 elétrons, na camada de valência, geralmente não ganham nem perdem elétrons, é o que ocorre com
o silício (Si) e o germânio (Ge), semicondutores.
Figura 5. Camadas orbitais de um átomo.
Cristais de Si
Os cristais são combinações de átomos iguais que se unem para formar um sólido. Para a formação de um cristal de silício
é necessário que cada átomo de silício ceda seus elétrons livres, de sua camada de valência, para outros átomos de silício.
Dessa forma, a órbita de valência dos átomos de silício agora passará a possuir 8 e não mais 4 elétrons, conforme Figura 6.
Dessa forma, o átomo de silício se torna quimicamente estável.
Ligações covalentes
Como vimos por meio da figura 6, para formação do cristal de silício, os átomos de Si se unem trocando os elétrons da camada de valência. Desse modo, o átomo central passará a possuir 8 elétrons na sua camada de valência.
Essa característica faz com que os elétrons, da camada de valência, agora não mais pertençam a um átomo isolado, mas sim compartilhados com átomos adjacentes.
Esse tipo de ligação química, na qual os elétrons são compartilhados por meio de forças em sentidos opostos, sendo o elo entre as partes dos átomos, é chamado de ligação covalente.
Em um cristal de silício existem bilhões de átomos de silício, cada um com oito elétrons de valência. Esses elétrons de valência são as ligações covalentes que mantêm os átomos de cristal unidos, formando o sólido.
Lacunas
Vimos anteriormente que em um cristal de silício temos átomos estabilizados por ligações covalentes. Na prática só é possível obter uma estrutura cristalina quando os átomos do cristal de silício estão a temperatura de zero absoluto (-273ºC). Entretanto, quando submetidos a temperaturas superiores, inicia um processo de vibração dentro do cristal na qual se tornam dependente dessa temperatura. Quanto mais alta a temperatura, maior será esta vibração. Essas vibrações podem deslocar elétron da camada de valência deixando um vazio. Como o átomo era neutro e perdeu um elétron passa a existir uma região de carga positiva que agora é chamado de lacuna. Dessa forma, pode-se dizer também que a lacuna age como carga positiva. A seguinte figura ilustra esse processo.
Recombinação e tempo de vida
A recombinação ocorre quando os elétrons livres que estão se movendo aleatoriamente pelo cristal, em uma banda chamada banda de condução, ao se aproximarem de uma lacuna, são atraídos e consequentemente capturados. Dessa forma, a lacuna antes existente na banda de valência é preenchida por um elétron livre. O tempo médio de surgimento até o desaparecimento de uma lacuna, tempo de vida, é da ordem de alguns nano a microssegundos.
Processo de condução no cristal de Si
Como estudado anteriormente, vimos que quando uma rede cristalina se encontra sob a temperatura de zero absoluto, os elétrons estão fortemente presos à camada de valência por ligações covalentes, logo o fluxo de elétrons livres não existirá.
Figura 8. Circuito e banda de energia à temperatura de zero absoluto.
Semicondutores intrínsecos
Um semicondutor pode ser caracterizado como Intrínseco ou Extrínseco. Para um semicondutor ser caracterizado como intrínseco ele deve ser puro sem adição de impurezas. No caso do cristal de silício, ele será intrínseco se todos os seus átomos forem compostos apenas por silício.
Fluxo de elétrons livres e lacunas
Podemos observar na Figura 10 que o cristal de silício puro foi submetido a uma fonte de tensão.
Suponha que se tenha gerado um elétron livre devido à energia térmica.
Podemos notar que existem dois trajetos para que os elétrons possam se locomover dentro do cristal.
<-- Os elétrons livres estarão se deslocando dentro do cristal por meio da banda de condução,
--> já os elétrons da camada de valência estarão se deslocando no cristal por meio das lacunas dos átomos de silício.
Fluxo de lacunas e elétrons livres no cristal de silício
Na figura 10, o elétron livre situado na parte superior à direita do cristal será atraído pelo polo positivo da fonte de alimentação, deslocando-se dentro do cristal por meio da banda de condução.
O elétron situado na camada de valência, poderá ser atraído pela lacuna subsequente na mesma banda, logo a lacuna antes presente no cristal deixará de existir e aparecerá onde estava o elétron. Novamente, a lacuna que surge poderá atrair o elétron da camada de valência, onde aparecerá outra lacuna e assim por diante.
Podemos observar por meio das indicações na Figura 10 que os elétrons se deslocam em direção ao polo positivo da fonte de alimentação, enquanto as lacunas em direção ao polo negativo.
Na Figura 10, os elétrons livres e as lacunas movem-se em sentidos opostos. A partir daqui, vamos visualizar a corrente em um semicondutor como o efeito combinado de dois tipos de fluxos: o fluxo de elétrons livres em um sentido e o fluxo de lacunas no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados às vezes de portadores, porque transportam uma carga igual de um lugar para outro.
Mais a diante veremos que estes portadores podem ser divididos em majoritários e minoritários.
O movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrário.
Fluxos de correntes
Pode-se notar, por meio da Figura 11, que no semicondutor intrínseco, o número de elétrons livres é o mesmo que o número de lacunas, isso devido à energia térmica aplicada sobre o semicondutor. Dito isto, foi aplicada, nas extremidades deste cristal intrínseco, uma fonte de tensão. Essa tensão forçará os elétrons livres dentro do cristal se deslocarem para o potencial mais positivo da fonte enquanto as lacunas deslocaram-se para a direita do cristal, potencial mais negativo da fonte. Esses elétrons livres passaram pelo polo negativo, chegando até o lado oposto do cristal, recombinando-se com as lacunas lá presentes. Dessa forma, tem-se um fluxo estável de elétrons livres e lacunas circulando dentro do semicondutor.
Dopagem de um semicondutor
O processo de dopagem em semicondutor consiste em adicionar impurezas aos átomos de um cristal
com o objetivo de aumentar sua condutibilidade elétrica.
Aumentando os elétrons livres e lacunas
Para aumentar o número de elétrons livres em um cristal de silício, primeiramente, é necessário quebrar suas ligações covalentes inserindo impurezas no cristal de silício. Para isso, deve-se inserir átomos diferentes do silício, processo denominado dopagem. Ao inserir, por exemplo, átomos pentavalentes nesse cristal aumenta-se o número de elétrons livres. Esses átomos pentavalentes como o nome diz, possuem 5 átomos em sua camada de valência, e consequentemente doam elétrons ao cristal de silício. A Figura 12 ilustra a inserção de um átomo pentavalente.
Figura 12. Aumentando o número de elétrons livres e lacunas no semicondutor.
Esse processo de inserção de um átomo pentavalente em um cristal de silício produz o efeito desejado que é a produção de um elétron livre. Portanto, pode-se dizer que quanto mais impurezas adicionadas ao cristal, maior será a condutibilidade de um semicondutor.
Quando se diz que um semicondutor é fracamente dopado, significa que este semicondutor possui uma alta resistência,
enquanto que um semicondutor fortemente dopado possui uma baixa resistência.
Para provocar um excesso de lacunas em um cristal puro de silício, agora deve-se adicionar impurezas do tipo trivalentes,
ou seja, átomos que possuem 3 (três) elétrons em sua camada de valência.
A Figura 12 também ilustra um átomo trivalente ao centro rodeado por 4 (quatro) átomos de silício
cedendo 1 (um) átomo cada de suas camadas de valência para o átomo trivalente ao centro.
Mesmo com os átomos da camada de valência dos 4 (quatro) átomos de silício, o átomo central ficou com apenas 7 (sete) átomos em sua última camada, logo existe uma lacuna orbitando a camada de valência para este átomo trivalente. Por esse fato, um átomo trivalente é conhecido como um átomo receptor pelo fato da lacuna existente poder receber um elétron livre durante a recombinação.
Semicondutores extrínsecos
Semicondutor tipo N
Como vimos, anteriormente, a dopagem de um semicondutor de silício acontece por meio da adição de impurezas no cristal de silício puro.
Ao adicionar impurezas pentavalentes no cristal de silício, vimos que será produzido, no cristal, um excesso de elétrons livres se comparados às lacunas, ao novo cristal damos o nome de semicondutor do tipo N. Ele apresenta as seguintes características:
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Portadores Majoritários = Elétrons Livres.
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Portadores Minoritários = Lacunas.
Semicondutor tipo P
Ao adicionar impurezas do tipo trivalentes no cristal de silício, foi visto também que serão produzidas lacunas no cristal,
a esse novo cristal damos o nome de semicondutor do tipo P. Para este semicondutor as características são as seguintes:
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Portadores Majoritários = Lacunas.
-
Portadores Minoritários = Elétrons Livres.
Fabricação de semicondutores
Os semicondutores são os principais componentes em circuitos integrados, processadores, memórias etc. Obviamente, o primeiro passo para a fabricação de desses itens é a obtenção da matéria-prima. Em geral eles são constituídos por silício. Por sorte o silício é um elemento químico extremamente abundante, fato esse que o define como o segundo elemento mais comum na Terra.
É possível extraí-lo de areia, granito, argila,
entre outros.
Esse elemento químico como já vimos é um semicondutor. No entanto, também é utilizado para a constituição de vários materiais resistentes, como vidro e cerâmica. Sua existência em abundância também faz com que o silício seja um elemento extremamente utilizado pela indústria eletrônica.
Curiosamente, a concentração de empresas que utilizam silício em seus produtos eletrônicos em várias cidades da Califórnia, nos EUA, fez com que a região recebesse o nome de Silicon Valley (Vale do Silício). Para você ter uma ideia da importância, lá estão localizadas, por exemplo, as sedes da AMD e da Intel, as maiores fabricantes de microprocessadores do mundo.
A fabricação se inicia em modernos centros tecnológicos especializados. Esses locais possuem sofisticação e construção de valor tão elevado, que existem poucos no mundo.
Nos laboratórios desses centros, fornos reduzem o dióxido de silício (SiO2) em silício bruto Si. Utilizando-se de ácido clorídrico, temperaturas elevadas e a destilação, é possível alcançar uma pureza na casa de 99,9999999%. A estrutura base para a confecção dos semicondutores é obtida por meio de um dispositivo no qual uma “semente” (amostra de silício puro) é embutida no silício liquido. O dispositivo começa a girar e a puxar o silício líquido para que este solidifique novamente e então seja criado um monocristal. Esse processo (chamado de técnica Czochralski) faz com que o material que se juntou à haste forme uma espécie de cilindro chamado de “Ingot” (lingote). A figura 13 ilustra o processo.
Cada fatia é então polida até ficar perfeita, sem variações, diferenças de brilho, manchas, ou quaisquer outras irregularidades.
No passo seguinte, a superfície do wafer passa por um processo de oxidação, no qual são aplicados gases, especialmente oxigênio, e temperatura elevada para que seja formada uma camada de dióxido de silício.
Depois passam por um processo em que recebem uma camada de material fotossensível (reage à luz).
O wafer recebe luz ultravioleta em certos pontos e em determinadas intensidades.
Os pontos da camada fotossensível que reagem à luz ultravioleta são posteriormente removidos,
deixando expostos os respectivos pontos da camada de dióxido de silício.
Assim tem-se pontos cobertos com camada fotossensível e pontos cobertos com dióxido de silício.
As partes que não estiverem protegidas pela camada fotossensível são removidas através de outro procedimento.
No próximo passo, a camada fotossensível é removida. O que sobra então é utilizado como estrutura para a montagem dos semicondutores, procedimento esse que continua sendo feito a partir de aplicação de mais materiais e exposição à luz ultravioleta. Em uma etapa mais adiante, cada wafer será dividido em vários “quadradinhos” (ou “pastilhas”), que posteriormente serão separados e formarão os chips em si. A fig.15 ilustra wafer com circuitos.
É importante ressaltar que cada wafer dá origem a centenas de chips, portanto, todo o processo de fabricação é realizado seguindo rigorosos critérios e cuidados. Para começar, os laboratórios das fábricas são locais extremamente limpos e protegidos (conhecidos como «clean room»). Além disso, as máquinas responsáveis pela produção precisam estar perfeitamente ajustadas para seguir as instruções dos projetos dos chips que estão sendo fabricados.
Sentido Real e Convencional
da Corrente
A teoria de circuitos elétricos teve início por volta de 1800 quando o físico italiano Alessandro Volta anunciou a invenção da bateria elétrica.
A descoberta deste dispositivo possibilitou a Volta produzir corrente elétrica, um fluxo contínuo e permanente de eletricidade, em oposição à eletricidade estática produzida pelas máquinas elétricas até então existentes, como o jarro de Leyden e a própria invenção de Volta, o “electrophorus”.
Uma ilustração da pilha de volta e apresentado na Figura 16.
Sabemos que de acordo com a teoria moderna, que a matéria e constituída de átomos. Estes por sua vez são constituído de outras partículas fundamentais:
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Prótons – carga positiva.
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Neutros – carga neutra.
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Elétrons – carga negativa.
Normalmente um átomo é neutro. Ao perder elétrons partículas se tornam eletricamente positivas, ao contrário quando ganham elétrons se tornam eletricamente negativas. Sabemos que a carga de um elétron e dada por 1,6021 x 10-19 coulomb (C),
ou em outras palavra um coulomb equivale a 6,24 x 1018 elétrons.
Sendo a proposta básica de um circuito elétrico o movimento de cargas em um percurso fechado.
A corrente elétrica, portanto, nada mais é do que a taxa de variação de carga em função do tempo sendo expressa por:
Na teoria de circuitos, a corrente, é geralmente imaginada como o movimento de cargas positivas, sendo que esta convenção foi proposta por Benjamim Franklin, que imaginou qual a corrente elétrica percorria o circuito saindo do positivo em direção ao negativo.
Atualmente sabemos que a corrente elétrica e o movimento de elétrons que se desprendem da órbitas dos átomos saindo do negativo em direção ao positivo.
O sentido da corrente remete a duas definições:
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Sentido convencional da corrente: é assim chamado quando tratamos o movimento de elétrons como saindo do terminal positivo em direção ao terminal negativo.
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Sentido real da corrente: é assim chamado quando tratamos o movimento de elétrons como saindo do terminal negativo em direção ao terminal positivo.
O sentido convencional da corrente é amplamente utilizado pois facilita o entendimento e equacionamento do circuito.
Na figura 17 temos a ilustração do sentido real e convencional da corrente.
