Condutividade e semicondutores: diodos e transistores
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Condutividade e semicondutores
Os metais são muito bons condutores de eletricidade. Sua alta condutividade deve-se ao fato de que existem elétrons livres na última camada dos átomos, que podem mover-se livremente entre os átomos do metal.
No Ag (prata) e no Cu (cobre), na última camada há um único elétron; por estar fracamente ligado ao núcleo, move-se à vontade dentro do metal sólido.
Entre condutores metálicos e isolantes estão os semicondutores, assim chamados porque conduzem pior que os metais, mas melhor que os isolantes.
Os semicondutores mais importantes são o germânio (Ge) e o silício (Si), e em sua camada de valência possuem quatro elétrons.
Ligação covalente e condutividade
Para o estudo de semicondutores, vamos nos concentrar na ligação covalente, caracterizada pelo compartilhamento de elétrons de valência entre átomos adjacentes.
Um cristal puro de Ge ou Si não tem elétrons livres e, portanto, não é condutor. Se você adicionar outras substâncias (impurezas) que passam a fazer parte da estrutura cristalina — processo chamado de dopagem — a condutividade aumenta.
Se você adicionar átomos que têm cinco elétrons na camada de valência, a nova estrutura passa a possuir um elétron livre, pois os outros elétrons formam as ligações covalentes (regra do octeto). Esse material é dito ser do tipo N (doador de elétrons).
Se forem adicionados átomos que têm três elétrons na camada de valência, a nova estrutura apresenta um buraco na última camada (ausência de elétron). Esse material é dito ser do tipo P (aceitador de elétrons).
Junta P–N e comportamento do diodo
Quando um semicondutor tipo P entra em contato com um semicondutor tipo N, na superfície de contato ocorre difusão de cargas: elétrons do lado N difundem para o lado P e recombinam-se com buracos; analogamente, buracos do lado P difundem para o lado N e recombinam-se com elétrons.
Essa recombinação cria uma região de depleção onde faltam portadores livres e que fica polarizada. Se a junção for polarizada diretamente (polarização direta), a zona de depleção diminui e a corrente pode passar. Se for polarizada inversamente (polarização reversa), a zona de depleção aumenta, impedindo a passagem de corrente.
Um diodo não pode bloquear indefinidamente uma tensão reversa muito alta: se essa tensão ultrapassar um determinado valor, ocorre uma ruptura elétrica na barreira de potencial e estabelece-se uma forte corrente na direção reversa, chamada corrente de ruptura (por exemplo, avalanche).
Transistor
O transistor é um componente semicondutor com três regiões consecutivas formadas por camadas de semicondutor do tipo P e do tipo N. Existem transistores NPN e PNP. A região central é chamada de base (B) e as duas regiões exteriores são emissor (E) e coletor (C).
A corrente na base controla as correntes no emissor e no coletor. A intensidade da corrente do coletor e do emissor depende das tensões aplicadas entre emissor, base e coletor. Se a tensão base-emissor não estiver em polarização direta, nenhuma corrente significativa flui; ao elevar a tensão base-emissor (polarização direta), a corrente do emissor aumenta e mais elétrons (ou buracos, dependendo do tipo) chegam à base e ao coletor.
O transistor é usado como amplificador de tensão e como interruptor eletrônico de corrente.
Principais tipos
- NPN: elétrons são os portadores majoritários que se movem do emissor para o coletor.
- PNP: buracos são os portadores majoritários que se movem do emissor para o coletor.