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[] Semicondutores [B. Koiller

Semicondutores
Belita Koiller

Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Rio de Janeiro, RJ
 

A segunda metade do século XX poderia ser denominada a era da micro-eletrônica. Durante um período de 50 anos, uma revolução baseada na lógica binária dos elétrons em semicondutores impactou de modo irreversível nosso dia-a-dia. A tecnologia envolvida em dispositivos semicondutores movimenta globalmente trilhões de dólares anuais através de indústrias cujos produtos são onipresentes. Supreendentemente, alguns anos antes do início desta revolução, Wolfgang Pauli declarou o seguinte a respeito dos materiais semicondutores: "One shouldn’t work with semiconductors, that is a filthy mess; who knows whether they really exist?"[1] O que ocorreu de notável entre estes dois momentos? Essencialmente, o entendimento microscópico do comportamento dos elétrons nos sólidos, abrindo a possibilidade de controle dos mesmos em dispositivos engenhosos fabricados com materiais criteriosamente escolhidos e processados, particularmente, os semicondutores. Neste capítulo, tentaremos assinalar as principais etapas desses desenvolvimentos, bem como perspectivas futuras.

1. Contexto Histórico

0.6cm A descoberta do elétron por J.J. Thomson, em 1897, levou imediatamente à sugestão de que os elétrons seriam os portadores responsáveis pelo mecanismo microscópico da condução de eletricidade pelos metais. Thomson realizou experimentos em um tubo de raios catódicos, raios emitidos por um filamento metálico aquecido semelhante ao de uma lâmpada incandescente, e acelerados por uma grade mantida a um potencial inferior ao do filamento emissor, demonstrando que estes raios eram constituidos de partículas (os elétrons) de carga negativa.

Em 1906, De Forest inventou um dispositivo denominado válvula triodo, que é semelhante ao tubo de raios catódicos de Thomson: elétrons emitidos por um filamento são acelerados ou freados pelo potencial de uma grade de controle. Neste caso, os elétrons que atravessam a grade são recolhidos por um dreno, fechando um circuito elétrico. A ação deste dispositivo é de controlar uma resposta relativamente forte — a corrente colhida pelo dreno — através de um sinal relativamente fraco — a tensão aplicada à grade. A válvula constitui, portanto, um amplificador de sinal elétrico, tendo sido utilizada em vários aparelhos elétricos como os amplificadores de som e as primeiras televisões.

As válvulas apresentam limitações severas: os feixes de elétrons transitam em tubos de vidro, que são volumosos e frágeis, além das altas temperaturas requeridas para que os filamentos metálicos emitam os elétrons, gerando forte aquecimento e dissipação de energia. Outro grave inconveniente é sua curta vida útil, comparável à de uma lâmpada incandescente. O enorme sucesso e a rápida proliferação de aplicações desta invenção demandou, portanto, a substituição das válvulas por dispositivos de estado sólido: o habitat robusto e natural para os elétrons. A primeira possibilidade que se poderia imaginar seriam os materiais metálicos, bons condutores de corrente. A resposta dos elétrons no interior de uma amostra de metal a uma tensão elétrica aplicada  é bem conhecida, descrita pela lei de Ohm: , onde  é a corrente e  a resistência elétrica da amostra. A lei de Ohm é uma lei de resposta linear, ou seja, a intensidade da resposta (a corrente) varia linearmente com o potencial elétrico aplicado entre as extremidades da amostra metálica. Este tipo de comportamento restringe a atuação de componentes metálicos em circuitos elétricos a um regime muito limitado no que diz respeito a aplicações mais avançadas. Por exemplo: a intensidade da corrente é a mesma para tensão direta ou reversa, inviabilizando um componente metálico para atuar como uma válvula de controle.

Mais informaes

[1]Não se deve trabalhar com semicondutores, isto é uma sujeira confusa; quem sabe se eles realmente existem. (Trecho de uma carta para Peierls em 1931).

 
 
 
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