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Semicondutores [B. Koiller]
Semicondutores
Belita Koiller
Instituto de FÃsica, 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
perÃodo de 50 anos, uma revolução baseada na lógica binária dos elétrons em
semicondutores impactou de modo irreversÃvel 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 inÃcio desta revolução, Wolfgang Pauli
declarou o seguinte a respeito dos materiais semicondutores: "One shouldnÂ’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 capÃtulo, 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 partÃculas (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 informações
[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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