Transístores - Semicondutores - III

Pelo senso comum ou conhecimento popular, a maioria das pessoas sabe o que são condutores e o que são isolantes. Pelos materiais utilizados em fios elétricos e outros materiais sabemos quais deles são condutores:

• Alumínio
• Cobre
• Ferro
• Ouro

É óbvio que não existe fiação de ferro, devido à sua difícil maleabilidade, e nem de ouro, devido ao seu valor.

E todos sabem que a borracha, o plástico, a madeira e tantos outros são materiais isolantes.

Quando um material será isolante, e quando será condutor ?

Elétrons e arranjos atômicos

A partícula que se movimenta em grande quantidade, quando um potencial elétrico é aplicado a um material é o elétron. Todo e qualquer material tem, em sua constituição microscópica, prótons e elétrons. Mas a natureza deu a eles uma outra possibilidade, que varia de material para material, de acordo com a temperatura e de acordo com o tratamento recebido quando de sua solidificação.

Ao ser fundido, e depois ser solidificado, um mesmo material pode se solidificar em arranjos diferentes, com propriedades diversas. Tal é o exemplo do versátil átomo de carbono, que se apresenta sob a forma de grafite, carvão, diamante, fulerenos e nanotubulos.

Dependendo da configuração do cristal em que se apresenta um elemento, seus elétrons estarão "soltos", ou "aprisionados" na cadeia cristalográfica.

Condutores e Isolantes

Quando o material possui elétrons que são capazes de se libertar da cadeia cristalográfica do mesmo, ao se aplicar um campo elétrico a este material, dizemos que o mesmo é um CONDUTOR.

E um material cujos cristais em que se arranjou, em seu estado natural, numa determinada temperatura e pressão, são tão estáveis que aprisionam os elétrons de suas cadeias moleculares, chamamos a este material ISOLANTE elétrico.

Mas existem materiais formados por elementos que, devido a uma particularidade de camada valência que divide os elétrons da última camada em orbitais diferentes, surge uma singular disponibilidade de elétrons com possibilidade de movimento, tanto mais quando se introduz as impurezas corretas em sua estrutura cristalina.

Os elementos  que possuem esta particularidade são:

• Antimônio (5s2 5p3);
• Arsênio (4s2 4p3);
• Boro (2s2 2p1);
• Germânio (4s2 4p2);
• Polônio (6s2 6p4)
• Silício (3s2 3p2);
• Telúrio (5s2 5p4);

À frente dos elementos está a configuração de sua última camada de elétrons. Mas só isto não basta. É preciso que a distância entre os átomos, na conformação do cristal, em determinada temperatura, possibilite esta movimentação. Estes elementos apresentam tal possibilidade de movimentação.

E esta possibilidade vem de uma característica energética muito especial. A variação necessária de energia para superar a Banda de Valência (que prende os elétrons à última camada do elemento) e atingir a Banda de Condução tem um valor pequeno, à temperatura ambiente.

Dopagem

Para facilitar a mobilidade de cargas, em um material que não é naturalmente condutor (na temperatura ambiente), é preciso acrescentar impurezas no material base do transistor. O Emissor é fortemente dopado, o Coletor é moderadamente dopado e a Base é fracamente dopada (esta tem uma largura 150 vezes menor que o a largura do transistor.

Movimento de cargas no Transistor

A seguir mostramos o movimento de cargas, quando se aplica uma tensão na Base do Transístor.

Considerando o sentido convencional (cargas positivas) da corrente, quando é aplicada uma tensão na Base do transístor, ocorre um movimento de "lacunas" ou "buracos" em direção ao Emissor. Em consequência, elétrons fluem do Emissor para o Coletor, usando estas lacunas como meio de transporte.

Sugestão

Leia o documento em:

http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes/PDF/VIII-3-BJT.pdf