O que é um semicondutor?

Um semicondutor é um material que controla correntes elétricas, tornando-o um componente essencial da maioria dos eletrônicos modernos. São os chips de computação e microcontroladores que alimentam smartphones, computadores e televisões.

As propriedades únicas dos semicondutores os posicionam entre materiais altamente condutores (como cobre ou alumínio) e não condutores (como borracha ou vidro). Mais comumente feito de arsenieto de silício, germânio e gálio, o hardware semicondutor permite uma corrente de fluxo livre ou a repele completamente.

Semicondutores são materiais que podem controlar o fluxo de eletricidade mais do que isoladores (não condutores), mas menos do que condutores. Eles são usados ​​em muitos dispositivos eletrônicos, incluindo computadores e smartphones.

“Todo dispositivo eletrônico que se conecta a uma parede ou usa bateria contém semicondutores”, disse Mike Pienovi, gerente geral de unidades de microcontroladores Sitara da Texas Instruments, à Built In.

É difícil exagerar a onipresença dos semicondutores: diodos, chips e transistores são dispositivos feitos deles.

“Os semicondutores estão em uma ampla gama de mercados, como industrial, automotivo, eletrônicos pessoais, equipamentos de comunicação e sistemas empresariais”, acrescentou Pienovi. “Esses chips são um componente crucial da tecnologia atual, afetando quase todos os aspectos de nossas vidas.”

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A capacidade de um semicondutor de conduzir eletricidade depende do movimento e da interação entre seus dois portadores de corrente: elétrons livres e lacunas (que representam a ausência de um elétron).

“Para entender como funcionam os semicondutores”, segundo o químico com doutorado Andrew Stapleton, que cria conteúdo na Academia Insider, “você precisa saber sobre bandas de energia”.

Stapleton explicou assim: Nos sólidos, os elétrons ocupam níveis de energia que formam bandas de energia. As duas bandas de energia mais relevantes em semicondutores são a banda de valência (que é preenchida com elétrons de valência) e a banda de condução (que está em grande parte vazia).

À medida que a energia térmica é aplicada ao material semicondutor, os elétrons de valência passam da banda de valência para a banda de condução, onde se tornam elétrons livres. Eles deixam espaços vazios na banda de valência, o que cria buracos.

“Em não-condutores, essas bandas estão distantes umas das outras”, disse Stapleton. “Mas nos semicondutores eles estão próximos o suficiente para que, quando uma fonte de calor é aplicada, os elétrons possam saltar da banda de valência para a banda de condução, permitindo o fluxo de corrente elétrica.”

A determinação da intensidade dessa corrente depende da quantidade de tensão aplicada, bem como das propriedades de um material semicondutor (mais sobre isso abaixo). A relação entre esses fatores é descrita pela Lei de Ohm, que estabelece que uma corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão aplicada, mas inversamente proporcional à resistência de um material.

A resistência, entretanto, pode ser manipulada para controlar melhor o fluxo de correntes elétricas. Num processo conhecido como dopagem, o número de portadores de corrente pode ser aumentado pela adição de impurezas a um material. Ao aumentar o número de elétrons ou lacunas livres, é criada uma maioria entre os portadores de corrente, o que resulta em uma condutividade mais forte.

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Os semicondutores intrínsecos são materiais puros, nomeadamente silício e germânio, que possuem uma capacidade natural de conduzir eletricidade quando em contacto com um elemento de aquecimento. No entanto, esses materiais não dopados não conduzem muito bem correntes elétricas.

Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons livres na banda de condução será sempre igual ao número de lacunas na banda de valência. Esta baixa concentração de portadores de corrente – elétrons livres e lacunas – resulta em baixa condutividade à temperatura ambiente. Melhorar sua condutância depende fortemente de uma fonte externa de energia térmica, como a tensão.