Sem ele, não existiriam computadores, smartphones ou ondas de rádio. Os semicondutores são o motor oculto da sociedade moderna. Eles estão localizados no coração do microprocessador e controlam todos os transistores do dispositivo. Quando as máquinas calculam ou transmitem sinais, elas dependem desses materiais para funcionar.
A maioria dos chips que você vê hoje é feita de silício. É por isso que termos como “Vale do Silício” dominam as notícias de negócios. Esta área não tem o nome de uma startup de tecnologia. Seu nome vem de sua fonte de energia. O silício é a base da indústria eletrônica. Sem ele, não haveria uma “economia do silício”.
Entenda o básico dos diodos
Para entender como funcionam os semicondutores, você precisa começar com algo simples. Um Diodo é o dispositivo semicondutor mais simples. Este é um excelente ponto de partida para aprender o básico. Neste guia, veremos mais de perto o que são exatamente os semicondutores. Descubra como a dopagem altera as propriedades de um material. Também veremos como os engenheiros usam esses princípios para criar diodos.
Mas antes de examinarmos mais de perto como funcionam os diodos, precisamos examinar mais de perto o material em si. silício.
Bastante silício
O silício não é incomum. Está em todo lugar. Se você já andou na praia ou olhou para um cristal, você já o viu. Areia e quartzo são feitos principalmente de silício.
O silício ocupa um lugar especial na tabela periódica dos elementos. Está ao lado do alumínio. Está localizado abaixo do carbono. Fica acima do germânio. Esta posição na hierarquia elementar confere ao silício suas propriedades elétricas únicas. Compreender o seu lugar na mesa ajuda a explicar porque se tornou um material básico na electrónica.
Fundação Malha de Semicondutores
Carbono, silício e germânio possuem propriedades especiais em sua configuração eletrônica. Cada elemento possui 4 elétrons em sua órbita externa. Este não é apenas um pequeno detalhe. A capacidade de formar estruturas repetitivas estáveis impulsiona sua capacidade de formar estruturas repetitivas estáveis.
Esses quatro elétrons de valência estão ligados covalentemente a quatro átomos vizinhos. O resultado é uma grade rígida. Pense nisso como uma rede molecular. A estrutura é preservada porque todo vínculo é satisfeito.
No carbono, esta rede parece um diamante. Duro. Transparente. De valor.
O silício dá uma guinada visual diferente. Sua forma cristalina parece metálica. Tem um brilho prateado. No entanto, ao contrário do cobre ou do ferro, é um semicondutor. A este respeito, o germânio comporta-se de forma semelhante ao silício. Ele fica no mesmo grupo da tabela periódica. Ele também tem esses quatro elétrons externos. Devido a esta característica comum, estes dois materiais são a espinha dorsal da electrónica moderna.
A configuração de quatro elétrons é a chave. A ligação covalente agora é possível e uma estrutura de rede completa é formada.
Esta treliça não é apenas bonita. É prático. Determina como esses materiais conduzem eletricidade. Sem esta configuração especial de quatro elétrons, a estrutura cristalina pode entrar em colapso ou comportar-se de maneira imprevisível. Essa estabilidade fez do silício o padrão para chips de computador.
Os metais conduzem eletricidade através de elétrons livres. Eles saltam facilmente entre os átomos. O silício parece metal. Ele brilha. reflete a luz. Mas não é o único.
Em um cristal de silício puro, todos os elétrons externos estão fechados em ligações covalentes completas. eles não podem se mover. resultado? Isolamento quase perfeito. Tráfego zero.
não mais.
Piidoping muda tudo
Não altera a estrutura do silício. Você muda a química. Contém impurezas.
Este processo é chamado de doping. Transforma um isolador em um semicondutor. Ele é um maestro, mas não um grande maestro. Isso servirá.
Existem duas maneiras de adicionar silício. Eles são do tipo N e do tipo P.
Dopagem tipo N: elétrons livres
A dopagem do tipo N usa elementos com cinco elétrons externos. Lin. arsênico.
Existem quatro tipos de silício.
Quando o fósforo entra na rede cristalina, quatro elétrons se unem. É o quinto? Eu não tenho parceiro. Flutua livremente.
Mesmo uma pequena quantidade de elétrons pode produzir elétrons livres suficientes para conduzir eletricidade. Os elétrons são carregados negativamente. Então é do tipo N.
Doping tipo P: Crie uma lacuna.
O doping tipo P inverte o roteiro. Use boro ou gálio.
Esses elementos têm apenas três elétrons externos.
Quando cabem dentro da gaiola de silício, permanecem lacunas. “buraco”.
Os elétrons de um vizinho entram e preenchem-no. O buraco está se movendo. Funciona como uma carga positiva. Então é um tipo P.
Pequenas quantidades de qualquer um dos aditivos transformam o silício de um isolante em um condutor utilizável.
Junction: Onde a mágica acontece
Quer distinguir entre silício tipo N e tipo P? Tedioso.
Por favor, combine-os.
Uma coisa engraçada aconteceu no cruzamento. Este é o coração do diodo.
Um diodo é o dispositivo semicondutor mais simples. Permite que a corrente flua em uma direção. Só há uma coisa.
Pense em uma catraca de estádio. Uma vez que uma pessoa pisa em um caminho, ela não pode retornar ao mesmo caminho. Um diodo é uma porta flip unidirecional eletrônica.
A combinação do silício tipo N e tipo P cria uma barreira. A eletricidade flui facilmente em uma direção. Bloqueie o outro completamente.
Este comportamento único não é apenas teórico. É a base da eletrônica moderna. Nada funciona sem essa junção.
O silício dopado com fósforo cria uma camada do tipo N. O silício dopado com boro cria uma camada do tipo P. Ambos os materiais conduzem eletricidade por conta própria. Junte-os na configuração mostrada no diagrama e nada acontece. O circuito está morto.
A razão está em como você conecta a fonte de energia. Se você conectar a bateria de forma que o terminal negativo fique voltado para o lado tipo N, os elétrons serão afastados da junção. Simultaneamente, o terminal positivo afasta os orifícios do lado tipo P do centro. Eles se movem em direções opostas, afastando-se um do outro. Nenhuma corrente atravessa a lacuna. O diodo bloqueia o fluxo.
Invertendo a polaridade
Vire a bateria. Agora a configuração muda completamente.
O terminal negativo repele os elétrons livres no silício tipo N, empurrando-os em direção à junção. O terminal positivo repele os buracos no silício tipo P, empurrando-os em direção ao mesmo ponto de encontro. Eles colidem. Os elétrons preenchem os buracos. Eles se cancelam.
Este não é mais um bloqueio estático. É um fluxo dinâmico. À medida que os elétrons preenchem as lacunas na junção, novas lacunas e elétrons são gerados nas bordas externas para substituí-los. A corrente flui através da junção. O diodo permite a passagem da eletricidade.
Diodos e Transistores
Esse comportamento direcional é a mecânica fundamental por trás de como controlamos a potência na eletrônica. A próxima seção explora como essa propriedade específica permite o uso generalizado de diodos e transistores em dispositivos modernos.
Como os diodos realmente funcionam no seu gadget
Um diodo é basicamente um canal unidirecional de eletricidade. Ele bloqueia o fluxo de eletricidade em uma direção e permite que ela flua na direção oposta. Se você já colocou uma bateria em um controle remoto e ela não funcionou por causa da polaridade errada, provavelmente o diodo não pegou fogo. Funciona como um dispositivo de segurança. Quando a bateria é colocada ao contrário, os diodos evitam que a corrente seja drenada da bateria e protegem os sensíveis componentes eletrônicos internos contra danos.
Idealmente, um diodo em polarização reversa deve bloquear toda a corrente. Na verdade, não é perfeito. Um diodo real pode vazar cerca de 10 microamperes. Na maioria das aplicações isso pode ser ignorado, mas existe. Se tensão reversa (V) suficiente for aplicada à junção, ela eventualmente quebrará e permitirá que a corrente flua. Essa tensão de ruptura é normalmente tão alta que os circuitos padrão nunca a alcançarão, portanto pode ser essencialmente ignorada no uso diário.
As coisas ficam interessantes quando você tem uma tendência direta. Um diodo requer uma certa tensão para operar. Para diodos de silício, esse limite é de cerca de 0,7 volts. Este salto de tensão inicia o processo de combinação buraco-elétron na junção. Este é um pequeno obstáculo, mas importante para o bom funcionamento do dispositivo.
Transistor: interruptor da natureza
Os transistores foram o próximo passo lógico no desenvolvimento de semicondutores. Os diodos usam duas camadas de material, enquanto os transistores usam três camadas. Podem ser construídas como estruturas sanduíche NPN ou PNP. Graças a esta estrutura, o transistor pode atuar tanto como chave quanto como amplificador.
Visualmente, um transistor se parece com dois diodos colocados em oposição. Se você pensar bem, esta configuração deve bloquear a corrente em ambas as direções. Tecnicamente sim. Mas aqui está o truque. Quando você passa uma pequena corrente elétrica pela camada intermediária de um sanduíche, algo mágico acontece. Correntes maiores podem fluir por toda a estrutura.
Este é o comportamento de comutação que alimenta a computação moderna. Uma pequena corrente pode ligar ou desligar uma grande corrente. Não é mágica, é apenas física refinada em ciência.
Do silício ao microprocessador
Um chip de silício é simplesmente um pedaço de silício que contém milhares ou até milhões de transistores. Colocar um transistor como chave cria uma porta booleana. Conectar essas portas cria um circuito lógico. Conecte um número suficiente deles e você terá um microprocessador.
A transição do silício puro para o silício dopado, para os transistores e, finalmente, para chips complexos tornou os computadores muito baratos e acessíveis a todos. O princípio básico é surpreendentemente simples. A verdadeira maravilha é como os refinamos. Agora podemos formar dezenas de milhões de transistores em um único chip sem gastar muito dinheiro.
Perguntas frequentes sobre semicondutores
**O silício é um semicondutor? **
Sim. A maioria dos chips e transistores semicondutores são feitos de silício. É a matéria-prima de eleição porque a sua estrutura é estável e previsível.
**Para que são usados os semicondutores? **
Eles são a espinha dorsal dos dispositivos eletrônicos. Os semicondutores são usados em chips, diodos, transistores e circuitos integrados. Qualquer coisa informatizada ou baseada em ondas de rádio depende desta classe de material.
Quais elementos são usados em semicondutores?
Você pode começar com elementos puros como silício, carbono e germânio. Ou você pode misturar impurezas neles. A adição de fósforo ou arsênico produz dopagem do tipo N. A adição de boro ou gálio cria dopagem do tipo P. Este procedimento altera a forma como o material conduz eletricidade.
**Qual é a definição de semicondutor? **
A condutividade elétrica dos semicondutores é intermediária entre condutores (como metais) e não condutores (como a maioria das cerâmicas). Eles não são totalmente isolantes nem totalmente condutores. Eles existem no domínio intermediário de controle.
**Quem são as maiores empresas de semicondutores? **
A dinâmica do mercado está a mudar, mas historicamente os gigantes têm governado. De acordo com dados de 2020, os principais concorrentes são a TSMC, com vendas de cerca de US$ 45,4 bilhões, a Samsung, com vendas de cerca de US$ 52,2 bilhões, e a Intel, que é a número um, com US$ 73,9 bilhões. As coisas mudaram, mas a demanda por esses chips só aumenta.
