Semicondutores

metade, e diferenças de potencial de 120 V são aplicadas às extremidades dos

dois pedaços resultantes.

IDEIA-CHAVE

Uma corrente em um material resistivo produz uma conversão de energia

mecânica em energia térmica; a taxa de conversão (dissipação) é dada pelas

Eqs. 26-26 a 26-28.

Cálculos: Como conhecemos o potencial V e a resistência R, usamos a Eq.

26-28, que nos dá, para a situação 1,

Na situação 2, a resistência de cada metade do fio é 72/2 = 36 Ω. Assim, a

dissipação para cada metade é

e para as duas metades é

Esse valor é quatro vezes maior que a dissipação do fio inteiro. À primeira

vista pode parecer que, se você comprar uma resistência de aquecimento,

cortá-la ao meio e tornar a ligá-la aos mesmos terminais, terá quatro vezes

mais calor. Por que não é aconselhável fazer isso? (O que acontece com a

corrente que atravessa a resistência?)

Semicondutores

Os semicondutores são os principais responsáveis pela revolução da

microeletrônica, que nos trouxe a era da informação. Na Tabela 26-2, as propriedades do silício, um semicondutor típico, são comparadas com as do cobre, um condutor metálico típico. Vemos que o silício possui um número muito menor de portadores de carga, uma resistividade muito maior e um coeficiente de temperatura da resistividade que é ao mesmo tempo elevado e negativo. Assim, enquanto a resistividade do cobre aumenta quando a temperatura aumenta, a resistividade do silício diminui.

O silício puro possui uma resistividade tão alta que se comporta quase como um isolante e, portanto, não tem muita utilidade em circuitos eletrônicos. Entretanto, a resistividade do silício pode ser reduzida de forma controlada pela

adição de certas “impurezas”, um processo conhecido como dopagem. A Tabela 26-

1 mostra valores típicos da resistividade do silício puro e dopado com duas impurezas diferentes.

Podemos explicar qualitativamente a diferença entre a resistividade (e, portanto, a condutividade) dos semicondutores e a dos isolantes e dos condutores metálicos em termos da energia dos elétrons. (Uma análise quantitativa exigiria o uso das equações da física quântica.) Em um condutor metálico, como um fio de cobre, quase todos os elétrons estão firmemente presos aos átomos da rede cristalina; seria necessária uma energia muito grande para que esses elétrons se libertassem dos átomos e pudessem participar da corrente elétrica. Entretanto, existem alguns elétrons que estão fracamente presos aos átomos e precisam de muito pouca energia para se libertar. Essa energia pode ser a energia térmica ou a energia fornecida por um campo elétrico aplicado ao condutor. O campo elétrico não só libera esses elétrons, mas também faz com que se movam ao longo do fio; em outras palavras, um campo elétrico produz uma corrente nos materiais condutores.

Tabela 26-2 Algumas Propriedades Elétricas do Cobre e do Silício

Propriedade Cobre Silício

Tipo de material Metal Semicondutor

Densidade de portadores de carga, m–3 8,49 × 1 × 1016

1028

Resistividade, Ω · m 1,69 × 2,5 × 103

10–8

Coeficiente de temperatura da +4,3 × –70 × 10–3

resistividade, K–1 10–3

Nos isolantes, é muito grande a energia necessária para liberar elétrons dos átomos da rede cristalina. A energia térmica não é suficiente para que isso ocorra; um campo elétrico de valor razoável também não é suficiente. Assim, não existem elétrons disponíveis e o material não conduz corrente elétrica, mesmo na presença de um campo elétrico.

Um semicondutor tem as mesmas propriedades que um isolante, exceto pelo fato de que é um pouco menor a energia necessária para liberar alguns elétrons. O mais importante, porém, é que a dopagem pode fornecer elétrons ou buracos (déficits de elétrons que se comportam como portadores de carga positivos) que estão fracamente presos aos átomos e, por isso, conduzem corrente com facilidade. Por meio da dopagem, podemos controlar a concentração dos portadores de carga e assim modificar as propriedades elétricas dos semicondutores. Quase todos os dispositivos semicondutores, como transistores e diodos, são produzidos a partir da dopagem de diferentes regiões de um substrato de silício com diferentes tipos de impurezas.