O que são semicondutores e quais as suas aplicações?

Os materiais semicondutores atraem muita atenção principalmente porque são matéria-prima indispensável à preparação de uma série de dispositivos ópticos e eletrônicos (transistores, retificadores, células fotoelétricas, lasers, células solares etc.) responsáveis, nas últimas décadas, por uma revolução tecnológica em nossas vidas, sobretudo nas áreas de comunicações e informática. Mas o que diferencia um material semicondutor dos materiais isolantes e dos condutores (ou metais)? A denominação justifica-se por sua resistividade elétrica, situada entre a dos materiais bons condutores e a dos isolantes. As diferenças de condutividade elétrica desses materiais podem ser mais bem entendidas com o auxílio da mecânica quântica. Admite-se que os elétrons – que nos átomos isolados possuem níveis discretos de energia – têm, em um material sólido, seus níveis de energia agrupados, formando regiões largas de energia chamadas ‘bandas de energia’. Estas são separadas por regiões (barreiras) de energia proibidas aos elétrons. Para a condução ocorrer em um dado material, seus elétrons devem poder vencer a barreira de energia proibida, através do fornecimento de energia externa. Em um caso extremo, em que a barreira é muito grande, é impossível ocorrer a transposição entre as bandas, o que explica a existência dos materiais isolantes. Mas nos metais a ligação dos átomos se dá de tal forma que os elétrons livres tornam-se disponíveis após a formação das bandas; resulta daí a inexistência da região de energias proibidas. Por isso é possível conseguir a condução eletrônica fornecendo pequenas quantidades de energia. O caso intermediário – em que a barreira entre as bandas existe mas é moderada – corresponde aos semicondutores. Outra característica é que sua condutividade pode ser controlada através da introdução de impurezas – a chamada ‘dopagem’. Para um dado semicondutor, dependendo da impureza (elemento) dopante, a dopagem pode produzir um material carregado negativa ou positivamente. A combinação desses dois tipos de materiais gera dispositivos com propriedades elétricas particulares, que permitem o controle dos sinais elétricos (diodos, transistores). Essa técnica é empregada na preparação de dispositivos elétricos e de circuitos integrados. Possuem propriedades semicondutoras materiais formados por elementos da coluna IV da Tabela Periódica, silício (Si) e germânio (Ge); compostos binários formados por elementos das colunas III e V (GaAs, GaSb, InSb, InP etc.); das colunas II e VI (CdSe, Cte, Cu2S); das colunas IV-VI (PbS, PbSe, PbTe); compostos ternários (AlGaAs) e quaternários (InGaAsP). O semicondutor mais utilizado na eletrônica é ainda o Si, mas muitas aplicações – lasers, por exemplo – são feitas atualmente com semicondutores compostos, como o GaAs (arseneto de gálio). Os avanços mais recentes vêm da tecnologia que permite preparar os semicondutores com controle em nível atômico, camada após camada. Uma das técnicas de fabricação de maior sucesso é a chamada de epitaxia por feixes moleculares, em que o material é crescido, em altíssimo vácuo, a partir de feixes moleculares das suas espécies constituintes. Controla-se com grande precisão a composição, a dopagem e a espessura dos filmes finos assim produzidos, que podem medir apenas algumas camadas atômicas e têm alta qualidade cristalina. Assim, preparam-se, por exemplo, as super-redes – nanoestruturas semicondutoras feitas de camadas alternadas de semicondutores (como GaAs e AlAs). Esses semicondutores nanoestruturados apresentam propriedades ópticas e eletrônicas diferentes das de seus constituintes e que podem ser manipuladas durante o crescimento. Aliando-se a isso a viabilidade de fabricar estruturas de dimensões muito reduzidas a partir desses novos materiais, é possível obter dispositivos ópticos e eletrônicos de alta velocidade (chamados dispositivos ‘quânticos’ por operarem em regimes em que os fenômenos físicos são descritos pela mecânica quântica). Os impactos esperados justificam as pesquisas tecnocientíficas que hoje movem esforços monumentais no aprimoramento dos dispositivos já disponíveis e na busca de novas soluções (José Cláudio Galzerani, Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos, Ciência Hoje, 06/ 2004).