Física dos Semicondutores

A eletrônica moderna baseia-se na capacidade de controlar o fluxo de elétrons em materiais especiais chamados semicondutores. Diferente dos condutores (como o cobre) ou isolantes (como o vidro), os semicondutores (como o Silício e Germânio) possuem uma condutividade que pode ser manipulada.

Estrutura Atômica e Dopagem

O Silício puro (intrínseco) forma uma rede cristalina estável com 4 elétrons na camada de valência. Para torná-lo útil eletronicamente, realizamos o processo de dopagem:

• Tipo N (Negativo): Adiciona-se impurezas com 5 elétrons de valência (ex: Fósforo). Sobram elétrons livres para condução.
• Tipo P (Positivo): Adiciona-se impurezas com 3 elétrons de valência (ex: Boro). Criam-se “lacunas” (ausência de elétrons) que se comportam como cargas positivas.

A Junção PN

Quando unimos um material tipo P e um tipo N, ocorre um fenômeno fascinante na interface:

1. Elétrons do lado N difundem-se para ocupar lacunas no lado P.
2. Cria-se uma região sem portadores livres chamada Região de Depleção.
3. Forma-se um campo elétrico interno que impede a difusão contínua.

Este é o princípio básico do Diodo Semicondutor.

Polarização

O comportamento da junção depende da tensão externa aplicada ($V$):

• Polarização Direta ($V > 0$): O campo externo vence a barreira de potencial. A corrente flui exponencialmente.
• Polarização Reversa ($V < 0$): A região de depleção aumenta. A corrente é praticamente nula (apenas fuga).

A equação do diodo de Shockley descreve este comportamento:

Onde:

• $I_S$: Corrente de saturação reversa
• $V_T$: Tensão térmica ($\approx 26mV$ a 300K)
• $n$: Fator de idealidade

Aplicações

A junção PN é o bloco construtor de:

1. Diodos Retificadores: Convertem corrente alternada (AC) em contínua (DC).
2. LEDs: Diodos que emitem luz ao recombinares pares elétron-lacuna.
3. Transistores (BJT e FET): Onde múltiplas junções permitem amplificação e chaveamento.

Na próxima aula, analisaremos circuitos com diodos e retificadores de onda completa.