Aprendendo Arduino — Parte 3A — semicondutores e… ei, fiz algo útil!

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Essa pedra acima se chama galena. É um mineral composto principalmente de sulfeto de chumbo. Também tem entre 1% e 2% de prata, traços de ferro, arsênico, cobre, bismuto e selênio. É uma das principais fontes de chumbo, mas tem outras propriedades bem interessantes, que fizeram dessa pedra a pedra fundamental da idade da pedra do rádio.

Galena é um semicondutor.

Escutando assim parece algo moderno. Chips são feitos de semicondutores, você imagina homens com roupas protetoras brancas em um laboratório imaculado segurando um disco prateado, mas semicondutores não são novidade. Eles foram descobertos em 1821, quando ninguém, literalmente ninguém sequer sabia o que era um elétron.

Um semicondutor é uma substância que nem é boa condutora de eletricidade, como ferro e cobre, nem é péssima condutora, como madeira, borracha ou a Venus Williams (too soon?).

Outra propriedade curiosa é que enquanto condutores aumentam a resistência à corrente elétrica quando aquecidos, semicondutores apresentam uma redução de resistência.

Essas características tem a ver com a estrutura atômica dos semicondutores. Há dois tipos: N e P. No N você tem muitos elétrons livres, no P você tem carência de elétrons.

Cientistas descobriram que se você pegar o sinal de uma antena de rádio e passar por um cristal de galena em algum momento encontrará uma concentração de elementos na proporção correta, e ele retificará o sinal alternado transformando-o em corrente contínua. O rádio de galena se resume a isso. Uma antena, que é um longo fio de cobre, uma pedra e um par de fones. Mais NADA e você está ouvindo música.

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Ninguém tinha idéia do mecanismo em ação ali, mas as descobertas continuavam. Em 1839 Becquerel descobriu que alguns semicondutores alteravam sua resistência quando expostos à luz. Esse efeito fotoelétrico só foi devidamente destrinchado décadas depois, foi preciso Albert Einstein e lhe rendeu um Nobel.

Os dois tipos de semicondutores podem ser criados usando como base elementos como silício, gálio, germânio e outros, e suas características, P e N, são conseguidas através de um processo chamado dopagem, onde você aplica um boa-noite Cinderela na substância, adiciona elementos como arsênico e faz o que quiser com ela.

No nível atômico eis o que acontece quando você une dois semicondutores de tipos diferentes:

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O tipo que tem elétrons livres preenche os buracos no outro tipo, mas isso faz com que ele fique então com déficit. A zona entre os dois semicondutores é uma hétero-junção, e como ocorreu essa transferência de elétrons e buracos de elétrons, gera-se uma diferença de potencial. Ela evita que mais elétrons fluam.

NOTA: a rigor não existe “buraco de elétron”, é uma figura imaginária que agiria como um transportador de carga positiva. Tecnicamente o buraco não se move, ele é a ausência sentida de um elétron.

Aí você aplica uma corrente elétrica nos dois semicondutores, ocorre isso:

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O fluxo de elétrons se sobrepõe à junção, e o semicondutor passa a conduzir eletricidade numa boa.

O pulo do gato é que se você inverter a polaridade a especiaria e a corrente não fluem. Acabamos de inventar o diodo, componente fundamental da eletrônica.

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Há junções mais complexas, como PNP e NPN, usadas em transístores, que são a base dos circuitos integrados. Chegar neles não foi fácil. Diodos semicondutores existem desde 1904, mas o transístor só foi patenteado em 1925. Mesmo assim, foi marmotagem. O inventor não tinha protótipo, modelo, nada. Simplesmente não havia tecnologia para purificar semicondutores o suficiente.

O primeiro transístor de verdade só veio a ser criado em 1947, por John Bardeen e Walter Brattain, dos Laboratórios Bell, da AT&T. Ganharam um Nobel por isso.

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Com a miniaturização é possível enfiar números incríveis de transistores em um único chip. O 6502, CPU do Apple 2, tinha incríveis 3.510 transístores.

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O chip principal do Projeto Scorpio, o novo console da Microsoft, tem sete BILHÕES de transístores.

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Para saber mais: um excelente material online é o Guia da Britney Spears para Física de Semicondutores.

Efeitos Colaterais

Um fenômeno que os cientistas descobriram quando estavam experimentando com semicondutores é que TUDO afetava o comportamento deles. Até a Luz.

Alguém teve a idéia de aproveitar esse efeitos específico, e as primeiras fotocélulas foram criadas. Em 1880 Graham Bell usou uma para transmitir som em um raio de luz. Você sabe, aquela descoberta sensacional que volta e meia uma startup descolada redescobre e acha que vai revolucionar o Wi-Fi.

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Essa peça aí de cima é um LDR, resistor dependente de luz. A trilha é feita de germânio ou silício, e a resistência entre os dois contatos varia de acordo com a luz incidida. É por causa dela que sua mão não é esmagada quando você faz aquela brincadeira besta de interromper a porta fechando do elevador.

Dopping do Bem

Por causa de interferências assim que os semicondutores são lacrados em resina, cerâmica ou outros compostos. Só que cientistas estão sempre pensando lateralmente, e começaram a ver que alguns dos efeitos colaterais indesejáveis, assim como a Amy Schumer 03:00 num final de festa, não é tão indesejável assim.

Em especial, a tendência de alguns compostos semicondutores sofrerem interferência de gases. As moléculas se prendiam por atração eletrostática à superfície dos semicondutores, trocavam elétrons e iam embora. Isso afetava a resistência da junção.

Melhor ainda: junções específicas dopadas com elementos específicos reagiam a gases específicos.

Em 1968 foi comercializado o primeiro sensor semicondutor para detectar gases, no caso hidrocarbonetos. As vantagens eram imensas. Consumiam menos energia, eram bem menores que os detectores tradicionais e a vida útil era muito maior, tipo dez anos.

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Com a evolução nas técnicas de fabricação mais sensores foram criados, mais baratos e mais diversos. Empresas como a ITS fabricam sensores para mais de 150 tipos de gases, de amônia a 6 tipos de freon, e não, eu não sabia que existia mais de um.

Hoje o preço dos sensores caiu no chão. Este aqui por exemplo custa um gin-tônica:

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É o Sensor de Gás MQ-2, um módulo com sensibilidade para metano, butano, GLP, hidrogênio e outros gases combustíveis. Ele também é afetado por álcool, mas em menor quantidade (datasheet).

O uso é simplíssimo. São quatro pinos:

  • Vcc, 5 V alimentação;
  • GND — negativo;
  • DO — saida digital;
  • AO — saída analógica.

A saída digital permanece LOW e muda para HIGH quanto a concentração de gás atinge um determinado valor, regulado por um trimpot na traseira da placa.

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O sinal analógico varia entre 0 e 5 volts, o que quando introduzido (epa!) em uma das portas analógicas do Arduíno é convertido em um valor digital entre 0 e 1.024.

Óbvio que um sensor de R$ 15,00 não vai ter os mesmos recursos de equipamentos de milhares de dólares, e ele não consegue identificar individualmente os gases. Por outro lado, se você está criando um alarme para vazamentos em seus tanques de propano, dificilmente terá um vazamento de hidrogênio, e se você pretende monitorar seu dirigível, as chances de ter um vazamento de butano interferindo com as leituras de hidrogênio são mínimas.

O que dá para fazer com um bicho desses? Muita coisa. Inclusive substituir aquele neandertal método de detectar vazamentos no bujão de gás usando espuma de sabão. Quanto custa? Quase nada, se você tem um Arduíno, que também custa quase nada.

Na segunda parte deste artigo vou mostrar dois tipos de detector que fiz em pouquíssimo tempo, com um mínimo de componentes. De brinde sem-querer ainda consegui uns sons de ficção científica muito maneiros:


Carlos Cardoso — Exemplo de sensor MQ-2

DISCLAIMER: parte dos componentes deste projeto foram fornecidos pelos Baú da Eletrônica, como o Sensor de Gás MQ-2. Outros eu comprei, como o Kit Arduíno Start.

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Autor: Carlos Cardoso

Entusiasta de tecnologia, tiete de Sagan e Clarke, micreiro, hobbysta de eletrônica pré-pic, analista de sistemas e contínuo high-tech. Cardoso escreve sobre informática desde antes da Internet, tendo publicado mais de 10 livros cobrindo de PDAs e Flash até Linux. Divide seu tempo entre escrever para o MeioBIt e promover seus últimos best-sellers O Buraco da Beatriz e Calcinhas no Espaço.

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