É impossível imaginar o mundo hoje sem a internet, sem seu smartphone ou sem computadores… Aliás, você não estaria lendo esse artigo sem esses equipamentos, tão necessários, ainda mais em tempos de pandemia…
O que poucos sabem, é que sem os materiais semicondutores, nenhum desses equipamentos seria possível. Mas o que são materiais semicondutores?
Materiais e condutividade elétrica
Desde muito cedo, aprendemos a diferença entre os materiais isolantes elétricos (aqueles que não permitem a passagem de corrente elétrica) e condutores elétricos. Sabemos, por exemplo que a borracha, os plásticos e os materiais cerâmicos (de forma geral), são materiais isolantes elétricos que podem ser empregados para proteção elétrica. Já os metais, como o cobre, o alumínio, o ouro e o ferro, são todos materiais condutores. Eles permitem que a energia elétrica seja transmitida desde uma usina geradora de energia, até a sua casa.
Mas e os materiais semicondutores? Muitas vezes nem ouvimos falar desses materiais nos bancos escolares. O nome sugere que essa classe de material conduz mais eletricidade frente aos materiais isolantes e menos que os condutores… Mas será mesmo?
Para responder a essa pergunta, precisamos entender como a condutividade elétrica dos materiais é medida. Vamos imaginar um corpo de prova cilíndrico com comprimento de 10 cm e diâmetro de 1 cm, como mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Dimensões do nosso corpo de prova para testes de condutividade elétrica
Nessa amostra será aplicada uma tensão de 100 Volts e vamos medir a corrente elétrica que passa por esse material, usando um amperímetro. Façamos isso para dois materiais diferentes o cobre e a borracha. Veja a Figura 2.
Figura 2 – Corrente elétrica na borracha e no cobre
A razão entre o valor da diferença de potencial (ddp) em volts aplicada ao cilindro e a corrente que passa pelo material em ampères será a resistência elétrica do material medida em ohms. Essa relação foi introduzida por George Ohm, por meio da sua famosa Lei de Ohm:
R=V/I
Por que alguns materiais conduzem melhor a eletricidade do que outros?
Como bons estudantes da ciência queremos saber o que acontece com o material em nível atômico. Para conduzir eletricidade, cargas elétricas precisam ser transportadas no interior do material.
Acontece que nos metais (temos um texto sobre os materiais metálicos), os elétrons (com cargas elétricas negativas) podem se mover facilmente pela estrutura do sólido. Isso se deve à natureza da ligação metálica. Normalmente os elétrons se movimentam de maneira aleatória pelo material, sem nenhuma direção preferencial. Mas, quando um campo elétrico é aplicado, os elétrons são induzidos a se movimentar em direção ao pólo positivo da bateria (cargas opostas se atraem). Este movimento dos elétrons cria um fluxo de carga (que conhecemos como corrente elétrica).
Mas na borracha, ou nos cerâmicos, os elétrons não podem se mover tão facilmente. Na verdade, eles até “sentem” o campo elétrico, mas eles estão “presos” em suas posições, pois são compartilhados ou doados de um átomo para o outro nas ligações covalentes e iônicas (na verdade o elétron está sempre em movimento… mas seu domínio está restrito às redondezas da molécula ao qual ele pertence…). Para que um elétron seja “arrancado” de sua posição e possa seguir seu sonhado caminho, rumo ao pólo positivo da bateria, é necessária a aplicação de uma energia elétrica superior a energia que une o elétron ao seu átomo (ou molécula). Isso é muito difícil de acontecer… Mas acontece! Um exemplo é o ar que geralmente é um isolante elétrico. Mas, se a tensão aplicada entre dois pontos do ar for muito alta, é possível arrancar elétrons das moléculas que constituem o ar e observar a condução de corrente na forma de uma faísca, ou um relâmpago… Nos materiais sólidos, no entanto, geralmente esse processo (chamado de ruptura dielétrica) também vem acompanhado da fusão ou degradação do material…
E os materiais semicondutores ?
Os materiais semicondutores são materiais interessantes, pois eles lembram muito os materiais isolantes. São materiais que apresentam ligações predominantemente covalentes e, por isso, deveriam ser bons isolantes elétricos. Mas, na temperatura ambiente, existe um número “pequeno” de elétrons livres na estrutura, que podem se movimentar pelo material, em resposta a um campo elétrico (é importante salientar que o número de elétrons é pequeno quando comparado ao número de elétrons livres em um metal… mas em números estamos tratando de milhões de elétrons por cm3 de material).
O mais famoso dentre os materiais semicondutores é o silício (Si). Isso não é por acaso. O silício é o segundo elemento químico mais abundante da crosta terrestre, perdendo apenas para o oxigênio. A principal fonte de silício é o quartzo, que está na areia da praia e em muitas formações rochosas ao redor do mundo.
O quartzo é basicamente formado por SiO2, que é um isolante elétrico muito bom. Para obter o silício puro é necessário arrancar o oxigênio do quartzo, produzindo o material base na fabricação dos microprocessadores, os cérebros dos equipamentos eletrônicos.
O silício e os demais semicondutores podem ser dopados. O processo consiste em introduzir “impurezas” no material, de forma controlada. Veja a ilustração a seguir. Cada átomo de silício possui quatro elétrons na cama de valência, que são compartilhados com outros quatro átomos de silício.
Figura 3 – Rede do silício
Se introduzirmos um átomo com cinco elétrons na camada de valência, fica sobrando um elétron na estrutura do semicondutor. Isso é possível dopando o silício com fósforo (P) ou arsênio (As), por exemplo, como mostra a Figura 4. Neste caso, temos um semicondutor Extrínseco tipo N.
Figura 4 – Rede do silício dopada com fósforo (P)
Podemos, por outro lado, introduzir um átomo que possua apenas 3 elétrons na camada de valência, como o boro (B). Neste caso, a falta de elétrons na rede da origem a um semicondutor extrínseco tipo P.
Figura 5 – Rede do silício dopada com boro (B)
Se o semicondutor não sofrer dopagem nenhuma, ele é denominado um semicondutor intrínseco. O processo de dopagem tem como objetivo aumentar o número de portadores de carga no material, não importando se serão cargas negativas (elétrons) ou positivas (a ausência de um elétron também pode ser vista como a introdução de uma “partícula” carregada positivamente, chamada de lacuna ou buraco). Como consequência, o processo de dopagem sempre da origem a um material com maior condutividade elétrica.
Moral da história
Os materiais isolantes são excelentes materiais para proteção elétrica. Os materiais condutores são indispensáveis para transportar energia elétrica. Mas nenhum desses materiais pode ter sua condutividade elétrica modificada… Eles são sempre o que são.
Os materiais semicondutores, por outro lado, podem ser fabricados com diferentes faixas de condutividade elétrica. Se não for feita a dopagem, a condutividade elétrica é baixa. Se você quiser um material mais condutor… Basta dopar um pouquinho seu semicondutor. Quer mais condutividade elétrica? Aumente ainda mais a dose de dopantes.
Dispositivos Eletrônicos
Para esse artigo não ficar longo demais, vamos deixar a discussão sobre os dispositivos semicondutores para a PARTE 2. Mas deixaremos um spoiler!
Já vimos que existem duas formas de dopar o semicondutor… Ele pode ser TIPO P ou TIPO N… Mas, o que acontece se conectarmos um semicondutor tipo P e tipo N? Dica… Essa resposta rendeu um prêmio Nobel! Aliás, se não fossem as junções PN, você só poderia ler esse artigo se ele fosse impresso… Por que você não teria computador, nem celular, nem vídeo game…
Então fica ligado na parte 2, pois estes materiais merecem ser mais bem conhecidos!
Nota Extra:
Vocês devem ter notado que o preço dos equipamentos eletrônicos aumentou bastante ultimamente… Os semicondutores são a base da construção de tudo que é eletrônico no nosso dia a dia… Por isso, se algo acontece com a indústria de semicondutores, tudo fica mais caro… Mas a mídia vem noticiando que há falta de materiais semicondutores no mercado…
Bem, se você leu o artigo, deve ter percebido que não faz nenhum sentido faltar silício, pois ele é o 2º elemento químico mais abundante na nossa crosta terrestre… O problema é que são poucas as nações (ou as empresas) que dominam o processo de fabricação dos semicondutores a partir do quartzo… O Brasil possui algumas das melhores jazidas de quartzo do mundo, mas infelizmente não fabricamos semicondutores por aqui… Temos a riqueza, mas não temos o domínio sobre ela… Consequência: ficamos reféns de quem sabe transformar sílica em silício… E pagamos o preço por isso…