“Eu sempre quis responder todas as questões que a natureza nos apresenta.”
Os semicondutores revolucionaram a eletrônica, viabilizaram os computadores cada vez mais poderosos, transformaram as telecomunicações, automatizaram as indústrias, e subverteram os sistemas de potência.
A fúria transformadora destes materiais invade todas as áreas da vida humana, e a humanidade se encontra cada vez mais dependente e ignorante a seu respeito.
O funcionamento dos semicondutores se baseia integralmente na Estrutura da Matéria e na Mecânica Quântica.
Alguns autores classificam os semicondutores como materiais cuja resistividade varia entre 10-2 e 109 Ω.cm, mas esta ampla faixa de valores não define precisamente estes materiais.
Considera-se como Semicondutores os materiais que apresentam gap de energia entre 0 e 4 eV. Metais ou condutores apresentam gaps de energia iguais a zero e isolantes gaps maiores que 3 eV.
Contudo, existem exceções e a correta definição requer detalhes relacionados com a estrutura da matéria.
Materiais Semicondutores
A Figura 1 apresenta os elementos químicos semicondutores responsáveis pela fabricação de todos os dispositivos eletrônicos modernos. Porém, nem todos são utilizados em larga escala.
Disponibilidade
A disponibilidade dos materiais na crosta terrestre determina a sua escolha para produtos de massa, e Figura 2 apresenta essa informação para os elementos químicos semicondutores. Observa-se que o Silício possui segunda maior disponibilidade na crosta terrestre (27%), superado apenas pelo Oxigênio (46%). Consequentemente, o Silício domina a indústria de semicondutores.
A indústria de semicondutores utiliza outros elementos semicondutores apenas na fabricação de dispositivos especiais onde propriedades específicas dos outros elementos se tornam primordiais.
Propriedades Físico-Químicas
A Figura 3 apresenta a condutividade elétrica dos semicondutores.
Observa-se que alguns elementos não são semicondutores, mas formam os semicondutores da Tabela 1 quando compostos com outros elementos da Figura 3, que apresenta as propriedades dos materiais semicondutores.
A Tabela 1 contém os links para as folhas de dados das propriedades de uma pequena amostra dos materiais semicondutores utilizados na indústria eletroeletrônica. 1
Material
Eg [eV]
μn [cm/(V.s)]
μp [cm/(V.s)]
εr
⍴m [g/cm3]
Tipo
Material wdt_ID Eg [eV] μn [cm/(V.s)] μp [cm/(V.s)] εr ⍴m [g/cm3] Tipo
Si
1
1,11
1.350,00
480,00
118,00
2,33
Indireto
Ge
2
0,67
3.900,00
1.900,00
16,00
5,32
Indireto
SiC
3
2,86
500,00
-1,00
10,20
3,21
Indireto
AlP
4
2,45
80,00
-1,00
9,80
2,40
Indireto
AlAs
5
2,16
1.200,00
420,00
10,90
3,60
Indireto
AlSb
6
1,60
200,00
300,00
11,00
4,26
Indireto
GaP
7
2,26
300,00
150,00
11,10
4,13
Indireto
GaAs
8
1,43
8.500,00
400,00
13,20
5,31
Direto
GaN
9
3,40
380,00
-1,00
12,20
6,10
Direto
GaSb
10
0,70
5.000,00
1.000,00
15,70
5,61
Direto
InP
11
1,35
4.000,00
100,00
12,40
4,79
Direto
InAs
12
0,36
22.600,00
200,00
14,60
5,67
Direto
InSb
13
0,18
100.000,00
1.700,00
17,70
5,78
Direto
ZnS
14
3,60
180,00
10,00
8,90
4,09
Direto
ZnSe
15
2,70
600,00
28,00
9,20
5,65
Direto
ZnTe
16
2,25
530,00
100,00
10,40
5,51
Direto
CdS
17
2,42
250,00
15,00
8,90
4,82
Direto
CdSe
18
1,73
800,00
-1,00
10,20
5,81
Direto
CdTe
19
1,58
1.050,00
100,00
10,20
6,20
Direto
Tabela 1. Propriedades Materiais Semicondutores
Trabalho Proposto
- Faça um gráfico do gap de energia dos semicondutores da Tabela 1.
- Calcule o comprimento de onda do fóton com a energia do gap de cada um dos elementos.
- Compare os comprimentos de onda encontrados com o espectro de frequências abaixo.
Sustentabilidade
Referências
- KITAI, A.; Principles of Solar Cells, LEDs and Diodes, Wiley, 2011.
- C.B.Honsberg and S.G.Bowden, “Photovoltaics Education Website,” www.pveducation.org, 2019.
–