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Materiais Condutores, Semicondutores e Isolantes

Nesta lição vamos discutir de forma sucinta as características dos materiais condutores, semicondutores e isolantes, que são materiais classificados com relação às suas características de condutibilidade elétricas.

 Condutores

Condutores são os materiais que possuem valores de resistividade muito baixos, geralmente na faixa de microohms por metro.. Desta forma, permitem que uma corrente elétrica considerável os atravesse com facilidade, devido às suas propriedades intrínsecas – como por exemplo, uma grande quantidade de elétrons livres disponíveis para tal.

Um bom condutor possui uma condutividade de aproximadamente 10^-8 Ωm, enquanto um bom isolante possui uma condutividade de cerca de 10¹⁴ Ωm, e um semicondutor típico, entre 10^-5 e 10³ Ωm, dependendo da temperatura. Para que os elétrons se movimentem é necessário a aplicação de uma tensão elétrica no material.

Essas diferenças existem devido à natureza quântica dos elétrons. Uma descrição quântica dos elétrons (nos metais) mostra que os valores de energia dos elétrons são quantizados, possuindo valores discretos, e isso é causado pela natureza ondulatória dessas partículas.

Quando os átomos estão reunidos em um sólido, formando uma grade cristalina, os elétrons podem ser encontrados em regiões de energia discretas, que são chamadas de Bandas Permitidas, e entre essas bandas permitidas existem regiões que são “proibidas” para os elétrons, chamadas de “Bandas Proibidas” (energy gap, em inglês). Nessas regiões não podem haver elétrons.

Alguns materiais possuem elétrons em um nível de energia especial denominado “Banda de Valência“, a partir de onde esses elétrons podem, em determinadas circunstâncias, se desprenderem do átomo ao qual estão ligados e se movimentarem pela estrutura cristalina do material.

Essa característica permite que o material seja um condutor elétrico, pois seus elétrons podem se deslocar pelo material, carregando energia consigo. Geralmente, esses materiais consistem em metais, porém, também existem condutores não-metálicos (por exemplo, grafite) e condutores iônicos (formados por íons).

A maioria dos metais tem a banda de valência parcialmente completa e sobreposta à banda de condução, o que permite a passagem dos elétrons de uma banda para outra com facilidade – e, isso, portanto, explica a condutibilidade elétrica. Desta forma, temos como exemplos de bons condutores os metais em geral, como cobre, prata, alumínio e ouro, ou ainda alguns não-metais, tais com o carbono, pois esses materiais possuem poucos elétrons em sua camada de valência, e assim esses elétrons tem facilidade em serem deslocados do átomo em si e percorrerem o material quando submetidos a um campo elétrico.

Os materiais condutores não são, todavia, condutores perfeitos, e uma pequena perda de energia sempre ocorre quando são atravessados por uma corrente elétrica, na forma de calor. E, com os metais são bons condutores de calor, sua resistividade também tende a aumentar quando sua temperatura aumenta.

Isolantes

Isolantes são materiais que possuem uma quantidade muito pequena de elétrons livres, de modo que para que uma corrente elétrica os percorra, é necessária a aplicação de uma diferença de potencial extremamente elevada. No geral, para tensões elétricas ordinárias (da ordem de algumas centenas de volts), nenhuma corrente elétrica consegue atravessar um material isolante.

Nos isolantes, a banda proibida é grande, e dificilmente os elétrons conseguem atravessá-la. Chamamos de Ponto de Ruptura ao ponto onde uma corrente considerável começa a circular em um material isolante, o que se consegue apenas com a aplicação de uma tensão elétrica muito elevada, da ordem de milhares ou até milhões de volts.

Mesmo o melhor dos isolantes irá conduzir corrente se ele for submetido a uma tensão de valor suficientemente elevada. Damos o nome de Rigidez Dielétrica ao valor desse campo elétrico correspondente. A Rigidez Dielétrica corresponde à tensão por unidade de espessura do material (em mm) na qual a ruptura ocorre. A tabela a seguir mostra alguns desses valores:

Rigidez Dielétrica média de alguns isolantes:

Rigidez Dielétrica de alguns materiais isolantes comuns
Material	Rigidez dielétrica média, em KV/cm
Ar	30
Baquelite	150
Borracha	270
Mica	2000
Porcelana	70
Teflon	600
Vidro	900

A mica, de acordo com os dados da tabela acima, é um excelente material isolante, suportando até 2 mil volts/cm antes de começar a conduzir corrente de forma considerável.

Os materiais isolantes são muito importantes em circuitos elétricos e em eletricidade em geral, pois sem eles todos os circuitos elétricos acabariam em curto-circuito, e obviamente não funcionariam. O exemplo mais básico é o material plástico (geralmente PVC) que isola os fios que carregam a eletricidade nas instalações elétricas e dentro dos diversos aparelhos eletroeletrônicos.

No vídeo a seguir temos um experimento mostrando a condutividade de alguns materiais, bons condutores (metais) e isolantes (como cerâmica, vidro e madeira):

Semicondutores

Os materiais semicondutores possuem características elétricas intermediárias entre os materiais condutores e os isolantes.

São amplamente empregados pela indústria eletrônica na fabricação de componentes eletrônicos diversos, incluindo todos os circuitos integrados (CIs) e elementos discretos como diodos, transístores e sensores diversos.

Nos semicondutores existe um intervalo entre as bandas de valência e de condução denominado de Banda Proibida (Gap), e os elétrons na camada de valência podem adquirir energia suficiente para atravessar esse gap e chegar à banda de condução, de modo que o material pode se comportar como um condutor em determinadas situações, e como um isolante em outras.

Os materiais semicondutores mais comuns usados na fabricação de componentes eletrônicos são os elementos químicos Silício (Si), o Germânio (Ge) e o composto Arseneto de Gálio (GaAs).

Uma característica dos materiais semicondutores é que eles possuem quatro elétrons na sua camada de valência, e isso é o que os torna materiais especiais. Na prática, a habilidade dos materiais semicondutores de conduzir corrente elétrica pode ser muito ampliada com o uso de substâncias especiais denominadas Dopantes, que são átomos adicionados em pequenas quantidades à estrutura cristalina do material, produzindo mais elétrons livres – ou lacunas. Dopantes comuns incluem o Índio (In), Antimônio (Sb) e Fósforo (P).

Além disso, os semicondutores também são caracterizados por:

• Fotocondutividade – o material se torna mais condutivo quando atingido pelos fótons de um feixe de luz incidente (portanto, podem ser sensíveis à luz);
• Coeficiente de Temperatura negativo – sua resistividade intrínseca – e consequentemente sua resistência elétrica – diminui quando a temperatura aumenta (são inversamente proporcionais); esse comportamento é inverso ao da maioria dos materiais condutores.

O tópico Semicondutores é muito vasto, e os estudaremos em muito mais detalhes a partir da próxima lição, na qual abordaremos sua teoria de operação e aplicações na construção dos componentes eletrônicos.