Semicondutoes e Supercondutores

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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
DISCIPLINA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES
CÍNTIA SELBACH, DAIANA BARBOSA, CARLOS ENRIQUE GOMES, JOÃO VITOR CORRÊA
Prof. Ricardo Lanner Cardoso
Canoas/RS, 14 de novembro de 2016.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Bandas de Energia.......................................................................... 11 
Figura 2 – Níveis de Enrgia de uma Junção pn não polarizada........................ 12
sumário
	
INTRODUÇÃo
Um material semicondutor defini-se pelo fato de em diferentes momentos se comportar como condutor ou como isolante. Os semicondutores não são bons nem maus condutores de eletricidade, na verdade a sua condutividade depende da temperatura a qual ele está submetido. A diferença entre os materiais isolantes e condutores está presente na camada de valência dos átomos que compõem a sua estrutura.
Materiais supercondutores possuem um grande potencial para aplicações em sistemas elétricos, eletrônicos e em levitação magnética. Pela sua capacidade de, sob condições apropriadas, transportar correntes elétricas com resistências praticamente nulas. As pesquisas têm mostrado que cerâmicas extremamente complexas são o tipo de material mais promissor para a criação de compostos que se mantenham supercondutores a temperaturas mais elevadas.
Dessa forma, supercondutores são materiais que tem a propriedade de conduzirem eletricidade sem que haja perda de energia e com isso pesquisas continuam sendo realizadas, em todas as áreas, sobre as várias possibilidades de utilização da tecnologia de supercondutores visando o desenvolvimento.
	
DESENVOLVIMENTO
 
DEFINIÇÃO DO MATERIAL
Os materiais podem ser classificados em quatro grupos distintos, considerando-se as características relacionadas a condutividade elétrica. A possiblidade de transportar elétrons através dos átomos que compõem um material, determinam a sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Sendo assim, os diferentes tipos de materiais são organizados em condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores.
A diferença entre os materiais isolantes e condutores está presente na camada de valencia dos átomos que compõem a sua estrutura. Se a ultima camada de átomo está completa de elétrons impede a passagem da corrente, atribuindo ao material características isolantes. Portanto, os materiais condutores apresentam em sua camada de valencia elétrons mais energéticos e livres, propiciando a passagem de corrente elétrica.
Um material semicondutor defini-se pelo fato de em diferentes momentos se comportar como condutor ou como isolante. Já os supercondutores podem conduzir eletricidade sem apresentarem resistência a passagem de corrente e sem ter perda de energia elétrica. 
OBTENÇÃO
Semicondutores
 Os materiais semicondutores mais comuns e utilizados na indústria são o Germanio (Ge) e o Silicio (Si). 
Silicio é obtido da sílica, material abundante na crosta terrestre, tem a estrutura cristalina do diamante e a distacnia entre átomos mais próximos é de 5,43 A, a largura da banda proibida no silicio é de 1,1 Ev. Seu custo no processo é bem mais em conta do que os outros matérias, tem uma ligação química mais eficaz também. 
O material é cortado em finos discos, e a seguir passa por um processo chamado dopagem, onde são introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados (conhecidos como impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício, roubando ou doando elétrons dos átomos, gerando o silício P ou N, conforme ele seja positivo (tenha falta de elétrons) ou negativo (tenha excesso de elétrons). Como resultado, temos ao fim do processo um semicondutor. 
O germânio (Ge) é o elemento químico de número atómico 32. É um metaloide lustroso e duro de cor branca acinzentada pertencente ao grupo do carbono que partilha algumas das características dos seus vizinhos da tabela periódica – o estanho e o silício. Este elemento é um semicondutor na sua forma purificada, com uma aparência bastante semelhante à do silício elementar, e tal como silício tende a reagir e formar complexos com o oxigénio de forma natural. É, contudo, demasiado reativo para existir na natureza no seu estado livre. É pouco encontrado na natureza, um dos motivos que o torna ter um processo de alto custo, apenas é utilizado em determinados equipamentos, muitos específicos. Seus diodos tem uma menor perda elétrica, em contra partida são muito frágeis e alto custo.
Supercondutores
Em 1986 foram descobertas as cerâmicas supercondutoras, com compostos que superaram a temperatura do nitrogênio líquido (– 196ºC). As pesquisas têm mostrado que cerâmicas extremamente complexas são o tipo de material mais promissor para a criação de compostos que se mantenham supercondutores a temperaturas mais elevadas. Hoje há materiais com Tc na faixa de –140ºC. Embora o nitrogênio seja bem mais barato, a utilização prática das cerâmicas continuam limitados, devido à dificuldade de se produzir fios homogêneos com estes materiais que suportem altas correntes sem gerar dissipação. 
Materiais cerâmicos supercondutores possuem um grande potencial para aplicações em sistemas elétricos, eletrônicos e em levitação magnética. Pela sua capacidade de, sob condições apropriadas, transportar correntes elétricas com resistências praticamente nula, os supercondutores podem ser utilizados para a produção de fios para redes de distribuição de energia elétrica e para enrolamentos de motores e geradores.
APLICAÇÕES
2.3.1 Semicondutores
Os semicondutores não são bons nem maus condutores de eletricidade, na verdade a sua condutividade depende da temperatura a qual ele está submetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolante perfeito a temperatura de -273ºc. A medida que a temperatura vai aumentando, sua condutividade também aumenta.
Em 1873, Willougby Smith estudava a condutividade do selênio (material semicondutor) quando descobriu a fotocondutividade desta substância. Notou que ao iluminá-lo, sua resistência caía drasticamente. Dessa forma, viu-se que a condutividade de um semicondutor pode ser alterada com a incidência de luz. Os semicondutores se comparados aos isolantes e condutores, tem suas propriedades elétricas afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimo de impurezas e podem ser divididos em duas categorias: semicondutores intrínsecos e extrínsecos.
Os semicondutores intrínsecos se referem aos materiais que possuem átomos com quatro elétrons na camada de valência que geralmente não ganham e nem perdem elétrons. Esses materiais são denominados puros. Em um semicondutor intrínseco, tanto os elétrons quando as lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Os principais exemplos de semicondutores intrínsecos são Germânio (Ge) e o Silício (Si). 
O átomo de Silício isolado contem quatro elétrons na camada de valência, e quando mais de um átomo deste elemento se combina para formar um cristal sólido cada átomo se posiciona entre outros quatro átomos de Silício, de modo que a valência se intersecta de um átomo ao outro, ao compartilhar elétrons entre quatro átomos próximos, cada átomo de silício sugere ter oito elétrons em sua valência, o que configura uma ligação covalente. Em seu estado puro, ou em baixas temperaturas, o silício é isolante, pois a ligação covalente mantém todos os elétrons firmes, capazes de não conduzir corrente. Entretanto, se a ele for adicionado um átomo de um elemento diferente, ou seja, uma impureza, existirá elétrons excedentes ou lacunas (quando a ligação covalente produz mais espaços do que a quantidade de elétrons presente), e esses elétrons ou lacunas se tornam disponíveis para o transporte de carga se houver uma DDP (diferença de potencial)externa aplicada ao material, ou seja, condutor. Essas características conferem ao silício a capacidade de ser um material semicondutor. 
No entanto, os semicondutores extrínsecos são aqueles que passaram por um processo de dopagem por impurezas, ou seja, aos átomos de materiais intrínsecos como o germânio e o silício, foram adicionadas impurezas (átomos estranhos) que foram capazes de alterar a estrutura de suas camadas de energia de maneira que os mesmos perdessem as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Esses materiais são chamados de tipo N e tipo P. Os materiais dopados do tipo N são aqueles no qual a dopagem consiste em usar elementos (impurezas) que tenham cinco elétrons na camada de valência. Já os materiais do tipo P são aqueles no qual a dopagem ocorre pelo uso de elementos trivalentes, agora há uma deficiência de elétrons para completar as ligações e a falta dessa ligação é a lacuna. 
Os materiais semicondutores têm muitas aplicações práticas, entre elas, o uso na fabricação de transistores, diodos, que é o tipo mais simples de semicondutor, sendo assim um componente eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido. São também utilizados em células fotovoltaicas, usadas para produzir energia elétrica a partir da radiação solar, em circuitos integrados CI, que são circuitos eletrônicos em miniatura, compostos principalmente de semicondutores. 
A descoberta dos semicondutores, o estudo acerca desses materiais e o desenvolvimento da tecnologia para utilizá-los trouxe como resultado o que chamamos hoje de eletrônica moderna. Quase todo aparelho eletrônico atual contém algum dispositivo feito com semicondutores.
2.3.2 Supercondutores
Supercondutores são materiais que tem a propriedade de conduzirem eletricidade sem que haja perda de energia. É sabido que uma elevação da temperatura de um material faz com que seus átomos vibrem com mais intensidade, sendo seus elétrons submetidos a constantes colisões que provocam perda de energia. No entanto, pesquisadores do assunto observaram que tal fenômeno mostra-se ineficaz para explicar o fenômeno da supercondutividade, uma vez que a razão da diminuição da resistividade com a temperatura faz-se de forma gradualmente lenta. 
Os metais e as ligas de supercondutância têm temperaturas que as caracterizam quando da transição de categoria de condutores normais a supercondutores. A esta temperatura denomina-se “Temperatura Crítica”, sendo que abaixo das mesmas a resistividade do material é exatamente zero. Dessa forma, desde que não há perdas de energia, fios supercondutores podem suportar correntes muito grandes, até um ponto em que a mesma inicia um processo de desalinhamento dos spins dos elétrons do material, provocando a destruição da supercondutividade. Uma outra característica relevante nos supercondutores encontra-se no bastante dos mesmos serem diamagnéticos perfeitos, isto é, possuem a habilidade de repulsar um campo magnético exterior ao mesmo aplicado.
Há basicamente dois tipos de supercondutores. Os do Tipo I, conhecidos como “supercondutores macios” exigem temperaturas mais baixas para se tornarem supercondutores. Eles são caracterizados por uma transição muito estreita a um estado de supercondutividade. Os do Tipo II, conhecidos como “supercondutores duros”, constituídos de combinações de ligas metálicas, têm Temperatura Crítica mais elevadas que os do Tipo I, fato este que ainda não é completamente entendido pelos pesquisadores.
Uma das aplicações mais conhecida é o trem Maglev, em inglês Levitação Magnética, em uso no Japão desde os anos 70. São bobinas supercondutoras que permitem o funcionamento do trem japonês, que flua a uma altura de 10cm do solo e é puxado por um "motor" eletromagnético tão silencioso e inofensivo quanto um imã atraindo um pedaço de metal. Outro exemplo é a máquina de tomografia por ressonância magnética, que é um equipamento que só tornou-se viável após a descoberta dos supercondutores. Elas utilizam bobinas supercondutoras metálicas, resfriadas com Hélio líquido.
Outra aplicação dos supercondutores é a armazenamento de energia elétrica em forma de energia mecânica de rotação. Esta invenção, do físico Masato Murakami do Centro Internacional de Tecnologia de Supercondutores, é conhecida como acumulador de energia. O acumulador é baseado em um disco metálico equipado de imãs comuns e instalado junto de uma bobina. Quando a bobina é ligada à tomada, o disco gira à razão de 3600 rotações por minuto. Isto não funcionaria se o disco estivesse preso a um eixo, porque a perda por atrito seria enorme.
Na geração e transmissão de energia elétrica os supercondutores possibilitam a redução drástica das perdas. A utilização de cabos metálicos na transmissão gera perdas da ordem de 20%, portanto a utilização de supercondutores evita este desperdício de energia. 
Pesquisas continuam sendo realizadas, em todas as áreas, sobre as várias possibilidades de utilização da tecnologia de supercondutores visando o desenvolvimento de aparelhos mais eficientes e de custo reduzido e com isso há a possibilidade de fabricação de circuitos mais compactos que os atuais e livres do risco de superaquecimento trazendo assim, grandes benefícios à área da eletrônica.
Caracteristicas físicas
Semicondutores
Os semicondutores são sólidos que apresentam baixíssima condutividade elétrica, pelo fato de seus elétrons estarem presos nas ligações covalentes entre os átomos.
Os semicondutores formam bandas, chamadas Bandas de Energia. Na temperatura de 0 K eles são isolantes, pois sua banda de valência estará totalmente preenchida, enquanto a banda de condução estará vazia. Quando a temperatura aumenta os elétrons da banda de valência saltam para a banda de condução, a largura da banda proibida reduz, desta forma podem conduzir corrente elétrica.
 T = 0
Figura 1: Bandas de Energia
T > 0
 Banda de Condução →
 Banda de Valência →
Banda Proibida →
Buracos ou lacunas
Elétrons livres
Dopagem
O semicondutor é chamado intrínseco quando ele é puro, um cristal abstrato que não conta com nenhum outro tipo de elemento que não seja o principal. E é chamado de extrínseco quando ele sofre uma dopagem, ou seja, são adicionados ao material átomos de outras substâncias (impurezas) que podem modificar as características elétricas do mesmo, aumentando sua condutividade.
O material é extrínseco do tipo n quando o elemento químico, a ser adicionado ao semicondutor, possui 5 elétorns em sua camada de valência, dos quais 4 serão envolvidos em ligações covalentes. O quinto elétron, sem ligação covalente suplementar na qual se alojar, torna-se um elétron livre, deixando atrás de si um íon positivo. Estas impurezas são denominadas doadoras.
O material é extrínseco do tipo p quando o elemento químico, a ser adicionado ao semicondutor, possui 3 elétrons em sua camada de valência, que serão envolvidos em ligações covalentes, faltando, portanto 1 elétron para a última ligação, o que torna a configuração instável. Estas impurezas são denominadas aceitadoras.
 Figura 2: Níveis de energia de uma junção pn não polarizada.
Supercondutores
Os supercondutores conduzem eletricidade sem perda de energia, não produzem calor, o que implica na redução expressiva dos circuitos elétricos e possuem grande habilidade em gerar compos magnéticos poderosos. Certos materiais sólidos apresentam expulsão de campo magnético e nenhuma resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma temperatura denominada crítica (geralmente próxima do zero absoluto).
O efeito Meissner é o fenômeno no qual o supercondutor,quando é resfriado abaixo da sua temperatura de transição, tende a ejetar todo o campo magnético de seu interior e o campo externo tende a penetrar, mas apenas até certa profundidade, definida por um parâmetro λ, denominado parâmetro de penetração de London.
2.4.2.1 Tipos de supercondutores 
O tipo I são os metais puros, mais macios, com zero resistividade elétrica abaixoda temperatura crítica, zero campo magnético interno e um campo magnético crítico acima do qual cessa a supercondutividade.
O tipo II são os metais feitos a partir de ligas, são mais duros, mecanicamente mais fortes do que os do tipo I, exibem campos magnéticos críticos muito mais elevados.
2.4.2.2 Teoria BCS
A teoria BCS foi proposta por John Bardeen,Leon Cooper e Robert Schrieffer, e afirma que os elétrons em um material, quando no estado supercondutor se agrupam em pares chamados pares de Cooper, que são elétrons condensados em estados de menor energia.
MAIORES PRODUTORES E CONSUMIDORES
Semicondutores
A China é desde 2005 o maior mercado mundial de chips. No ano de 2013 desbancou os Estados Unidos como a maior produtora de semicondutores. Em 2011 a China produziu 80 milhões de toneladas de Germânio, seguida pela Rússia com 5 milhões de toneladas.
Supercondutores
O Brasil possui a maior reserva de nióbio do mundo com cerca de 98% da produção mundial. A China é a maior produtora de Chumbo com 2,8 milhões de toneladas, seguida da Austrália com 621 mil toneladas e Estados Unidos com 342 mil toneladas.
CONSIDERAÇÕES FINAIS 
A ciência que estuda as características dos materiais nos demonstra a importância em se conhecer a natureza de cada elemento e o adequar aos devidos fins. Em diferentes casos, este conhecimento agregado pode ser a diferença, entre o sucesso de uma obra ou experimento e o seu fracasso. 
Contudo, as pesquisas e a elaboração deste trabalho, proporcionou a contrução do conhecimento relacionado aos fundamentos dos semicondutores e supercondutores. As conclusões obtidas a partir deste trabalho nos remetem a uma nova visão, de um modo mais especifico, sobre a mecânica e a funcionalidade dos materiais. 
REFERÊNCIAS
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