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Semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.
Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.
Índice |
História
Em 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos. Os primeiros elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes iniciou pesquisas no efeito semicondutor, a princípio como curiosidade, pois foi percebido ao acaso pelo cientista.
Embora Hughes não conhecesse o trabalho de James Clerk Maxwell, descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Em função de suas experiências acabou por inventar o detector eletromagnético por efeito semicondutivo, o diodo.
Introdução
De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de energia mais alta, isto é a banda de valência.
Um fato conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'liberta-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é dezenas de vezes maior. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons.
Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de condução. Os buracos também chamados de lacunas que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão importante que este buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do elétron, e-
Poços, fios e pontos quânticos
A principal diferença entre os condutores sólidos é o chamado gap de energia. Ele define quão condutor é um material. Os metais possuem um gap de energia muito pequeno, considerando que o gap é a energia necessária para a transição da banda de valência para a banda de condução, quanto menor o gap, mais fácil de promover um elétron de uma banda para a outra e com isso aumentar a condução desse material. Já os semicondutores, possuem um gap grande quando comparados aos metais, portanto a condução nesses materias fica condicionada à energia de excitação dos elétrons, ou seja, quanto maior a temperatura maior será a energia térmica dos elétrons e com isso mais elétrons serão promovidos à banda de condução, aumentando assim a condutividade do material. Cada um dos tipos conhecidos de semicondutores possui um Gap caracteristico.
Esta diferença nos gaps permite, através do uso de semicondutores diferentes, criar-se corredores onde é possível prender os elétrons e restringir seus movimentos. Isto é feito através de sanduíches de semicondutores. Um fatia muito fina (da ordem de algunas dezenas de angstrons) é prensada entre dois 'pães' de material semicondutor com Gap de energia maior que o suficiente para pular para a banda de condução dos 'pães'. Portanto na direção perpendicular ao 'recheio' eles ainda estão confinados à banda de valência. As propriedades destes elétrons, devido à restrição de movimento ao plano do 'recheio' e ao tamanho da fatia, podem ser bastante diferentes do semicondutor original. A estrutura obtida desta forma é chamada de poço quântico, apesar de na verdade ser um plano quântico.
A idéia do plano foi estendida para uma verdadeira geometria quântica com retas e pontos.
Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente.
Fios quânticos
Os fios quânticos são formados da mesma maneira que os poços. Para isto é removida um fatia muito fina do 'sanduíche' (levando o 'pão' e recheio) e prensando-a novamente entre outros semicondutores de forma a confinar o movimento dos elétrons a apenas uma direção. Isto cria uma fio quântico.
Se agora o processo for novamente repetido, removendo-se um pedaço do fio de prensado-o entre novas camadas de semicondutores, o que temos no final é uma pequena caixa de elétrons, chamada de ponto quântico.
O termo quântico é usado para descrever estes dispositivos porque a dimensão da largura de confinamento causa uma re-discretização dos níveis de energia criando bandas de energia artificiais e controláveis em laboratório. E é neste controle fino dos novos níveis de energia que reside toda a importância destes dispositivos. As propriedades eletrônicas dos elétrons nestas estruturas podem ser construídas e os dispositivos planejados como uma projeto de engenharia. As propriedades destes dispositivos são ainda objeto de estudo e provavelmente estes serão os componentes da eletrônica do futuro.
Ver também
Questions for article: fabricação do fio sólido, semicondutor tipo pn, pontos quanticos, pontos quanticos