A tecnologia moderna é possível devido a uma classe de materiais chamados semicondutores. Todos os componentes ativos, circuitos integrados, microchips, transistores e muitos sensores são construídos com materiais semicondutores.
Embora o silício seja o material semicondutor mais usado em eletrônica, uma variedade de semicondutores é usada, incluindo germânio, arsenieto de gálio, carbeto de silício e semicondutores orgânicos. Cada material tem vantagens como relação custo-desempenho, operação em alta velocidade, tolerância a altas temperaturas ou a resposta desejada a um sinal.
Semicondutores
Os semicondutores são úteis porque os engenheiros controlam as propriedades elétricas e o comportamento durante o processo de fabricação. As propriedades do semicondutor são controladas pela adição de pequenas quantidades de impurezas no semicondutor por meio de um processo chamado dopagem. Diferentes impurezas e concentrações produzem efeitos diferentes. Ao controlar a dopagem, a forma como a corrente elétrica se move através de um semicondutor pode ser controlada.
Em um condutor típico, como o cobre, os elétrons conduzem a corrente e atuam como portadores de carga. Nos semicondutores, tanto os elétrons quanto as lacunas (a ausência de um elétron) atuam como portadores de carga. Ao controlar a dopagem do semicondutor, a condutividade e o portador de carga são adaptados para serem baseados em elétrons ou buracos.
Existem dois tipos de doping:
- Dopantes do tipo N, tipicamente fósforo ou arsênico, têm cinco elétrons, que, quando adicionados a um semicondutor, fornecem um elétron extra livre. Como os elétrons têm carga negativa, um material dopado dessa maneira é chamado de tipo N.
- Dopantes do tipo P, como boro e gálio, possuem três elétrons, o que resulta na ausência de um elétron no cristal semicondutor. Isso cria um buraco ou uma carga positiva, daí o nome P-type.
Os dopantes do tipo N e do tipo P, mesmo em quantidades mínimas, tornam um semicondutor um condutor decente. No entanto, os semicondutores do tipo N e do tipo P não são especiais e são apenas condutores decentes. Quando esses tipos são colocados em contato entre si, formando uma junção P-N, um semicondutor adquire comportamentos diferentes e úteis.
Díodo de junção PN
Uma junção P-N, diferentemente de cada material separadamente, não age como um condutor. Em vez de permitir que a corrente flua em qualquer direção, uma junção PN permite que a corrente flua em apenas uma direção, criando um diodo básico.
Aplicando uma tensão através de uma junção P-N na direção direta (polarização direta) ajuda os elétrons na região do tipo N a se combinarem com os buracos na região do tipo P. A tentativa de reverter o fluxo de corrente (polarização reversa) através do diodo força os elétrons e os buracos a se separarem, o que impede que a corrente flua através da junção. Combinar junções PN de outras maneiras abre as portas para outros componentes semicondutores, como o transistor.
Transistores
Um transistor básico é feito da combinação da junção de três materiais do tipo N e do tipo P, em vez dos dois usados em um diodo. A combinação desses materiais produz os transistores NPN e PNP, que são conhecidos como transistores de junção bipolar (BJT). A região central, ou base, BJT permite que o transistor atue como uma chave ou amplificador.
Os transistores NPN e PNP se parecem com dois diodos colocados de costas, o que impede que toda a corrente flua em qualquer direção. Quando a camada central é polarizada diretamente para que uma pequena corrente flua através da camada central, as propriedades do diodo formado com a camada central mudam para permitir que uma corrente maior flua através de todo o dispositivo. Esse comportamento dá ao transistor a capacidade de amplificar pequenas correntes e atuar como uma chave que liga ou desliga uma fonte de corrente.
Muitos tipos de transistores e outros dispositivos semicondutores resultam da combinação de junções P-N de várias maneiras, desde transistores avançados de função especial até diodos controlados. A seguir estão alguns dos componentes feitos de combinações cuidadosas de junções P-N:
- DIAC
- Díodo de laser
- Díodo emissor de luz (LED)
- Díodo Zener
- Transistor Darlington
- Transistor de efeito de campo (incluindo MOSFETs)
- Transistor IGBT
- Retificador controlado por silício
- Circuito integrado
- Microprocessador
- Memória digital (RAM e ROM)
Sensores
Além do controle de corrente que os semicondutores permitem, os semicondutores também possuem propriedades que tornam os sensores eficazes. Estes podem ser feitos para serem sensíveis a mudanças de temperatura, pressão e luz. Uma mudança na resistência é o tipo mais comum de resposta para um sensor semicondutivo.
Os tipos de sensores possibilitados pelas propriedades dos semicondutores incluem:
- Sensor de efeito Hall (sensor de campo magnético)
- Termistor (sensor resistivo de temperatura)
- CCD/CMOS (sensor de imagem)
- Fotodiodo (sensor de luz)
- Fotoresistor (sensor de luz)
- Piezoresistivo (sensores de pressão/deformação)
