O novo coração dos eletrônicos

Todos os anos milhares de novos modelos de eletrônicos são lançados no mercado. Esses novos modelos geralmente são mais potentes, mais leves, menores e bem melhores do que os seus antecessores. Para ocorrer esse desenvolvimento é claro que a engenharia de materiais teria que estar envolvida! Podemos considerar os materiais semicondutores o coração desses aparelhos e é sobre eles que iremos falar hoje.

Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária, ou seja, a quantidade de energia necessária para excitar um elétron da banda de valência para a banda de condução tem que ser menor que 4.5 eV. Muitos dispositivos eletrônicos que não vivemos sem existem por causa do desenvolvimento dos semicondutores. Você consegue imaginar hoje uma vida sem computador, celular, satélites e internet?

Para ilustrar a grande importância deles, o professor Edson Leite da UFSCar declarou que: “A Biotecnologia não seria o que é sem a indústria dos semicondutores. A própria indústria de microscopia eletrônica teve de ser desenvolvida não por causa da Biologia, mas por causa da indústria de semicondutores. Se hoje há uma indústria de microscopia eletrônica foi devido à necessidade da indústria de semicondutores”.

Mas enfim, quais são esses materiais? Os mais utilizados são o silício, o germânio e o gálio. Nos últimos anos um material que é muito pesquisado é o nitreto de gálio (GaN).

Uma característica importante desse material é o valor do seu bandgap (3.4 eV), permitindo então a emissão e a absorção de ondas na faixa do azul ao ultravioleta. A produção desse material é feita de forma muito controlada, pois é necessário obter cristais perfeitos! A cristalização do GaN pode ocorrer de duas formas: Na forma hexagonal wurtzita ou na forma da estrutura cúbica zinc-blend, como podemos ver nas imagens abaixo. São essas estruturas que geram ao material uma alta resistência.

800px-Wurtzite_polyhedra.png

800px-Sphalerite-unit-cell-3D-balls.png

Primeira estrutura – Wurtzita hexagonal; Segunda – Zinc-Blend cúbica.

Existem inúmeras formas atualmente para se obter o nitreto, porém a primeira foi através de uma autoclave com alta pressão e nitrogênio. Com a autoclave à 550ºC  e com pressão de 5000 atm é inserida amônia dentro da máquina, formando uma solução supercrítica, que irá atacar o GaN e dissolve-lo. Com isso, será transportado para um compartimento refrigerado por meio de correntes de convecção. Nessa parte o nitreto se separa da solução e começa a formar os cristais. O grande problema dessa técnica foi o tamanho final dos cristais obtidos, que eram muito pequenos (25-38 mm). Por isso, hoje as pesquisas continuam para criar técnicas que possam gerar cristais maiores e também com um baixo custo.

A grande vantagem presente no nitreto em relação ao silício é que ele suporta até 10 vezes mais voltagem, assim permite a criação de dispositivos que funcionem numa frequência superior à que estamos habituados. Outra aplicação que se espera desse material é no setor de LEDs, as lâmpadas com o nitreto de gálio podem ser utilizadas com voltagens, correntes e temperaturas maiores do que as lâmpadas de LED com silício, que são muito sensíveis a variações no sistema. Essa troca é muito importante para a economia e para o desenvolvimento sustentável, porque, segundo um estudo americano, com lâmpadas e com transformadores produzidos com esse semicondutor, nós seríamos capazes de reduzir em 25% o consumo de energia mundial. Hoje o GaN já é utilizado em radares militares, o que permitiu aumentar a potência em cinco vezes e diminuir pela metade o tamanho dos aparelhos.

Esse texto teve como base:

Click ciência – UFSCar

Fraunhofer – LED lamps: less energy, more light

Inmensol

The World’s Best Gallium Nitride by Richard Stevenson

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