PERSPECTIVA CONTEXTUALIZADORA E INTERDISCIPLINAR DO TEMA SEMICONDUTORES EM ATIVIDADES DIDÁTICO-PEDAGÓGICAS DE FÍSICA NO ENSINO MÉDIO

## PERSPECTIVA CONTEXTUALIZADORA E INTERDISCIPLINAR DO TEMA SEMICONDUTORES EM ATIVIDADES DIDÁTICOPEDAGÓGICAS DE FÍSICA NO ENSINO MÉDIO

Riama Coelho Gouveia 1,2 , Ana Laura de Oliveira , Adenilson J. Chiquito 1 2

- 1 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de São Paulo - Campus Sertãozinho, riama@ifsp.edu.br
- 2 Universidade Federal de São Carlos - UFSCar - Departamento de Física - NanO Lab, chiquito@df.ufscar.br

## Resumo

Neste trabalho foram planejadas, aplicadas e analisadas, dentro da perspectiva da pesquisa-ação, quatro atividades didático-pedagógicas sobre semicondutores, em aulas de física do segundo ano do ensino médio. O tema foi escolhido levando em consideração o fato de que a tecnologia, grande parte baseada nos semicondutores, faz parte do cotidiano dos estudantes, servindo como contexto para discussão de fenômenos físicos, além de permitir abordagens interdisciplinares. Foram selecionadas para as atividades metodologias diversificadas, tendo em mente o papel ativo do estudante no processo de aprendizagem: pesquisa e produção de texto, montagem de estrutura cristalina, levantamento de curva característica de dispositivos e experimento sobre condutividade em função da temperatura. Os dados para análise dos resultados incluíram, além de registros fotográficos, os textos, tabelas e gráficos produzidos pelos estudantes e as respostas aos questionários. Em todas as atividades a participação dos estudantes foi efetiva, tanto na realização dos experimentos quanto nas discussões e montagens em sala de aula. Os alunos aprenderam sobre os principais materiais semicondutores e como os átomos desses elementos se organizam para formar cristais que dão origem aos componentes dos circuitos eletrônicos; verificaram que a corrente nos dispositivos semicondutores não varia linearmente com a tensão, mas que existe uma tensão mínima necessária para que o dispositivo funcione; observaram que, ao contrário dos metais, a resistência dos semicondutores diminui com o aumento da temperatura. Além de relacionarem um conteúdo de sala de aula de física com o cotidiano e com outras disciplinas, como química e eletrônica, os próprios estudantes consideraram que as atividades desenvolvidas contribuíram com sua formação, permitindo a compreensão sobre a estrutura e a importância da base fundamental da tecnologia moderna.

Palavras-chave : Semicondutores, Interdisciplinaridade, Metodologia Ativa.

## 1. Introdução

Nossa sociedade passa por constantes transformações e muitas destas transformações estão ligadas ao desenvolvimento tecnológico. A ampla área em que a tecnologia está empregada justifica o fato de todos terem acesso a seus produtos e a apreciarem muito. Uma das áreas de maior desenvolvimento nas últimas décadas é a eletrônica, que está baseada nos dispositivos semicondutores.

Se todas as pessoas, em maior ou menor grau, fazem uso e se envolvem com equipamentos e aplicações da eletrônica moderna entre os jovens este fato é ainda mais intenso. Conforme FREIRE (1996), que incentiva a abordagem em sala de aula de questões que fazem parte do cotidiano do estudante, isto torna o tema 'Semicondutores' um bom ponto de partida para a discussão de conteúdos

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26 a 30 de janeiro de 2015

escolares. Esse mesmo incentivo está presente nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), onde se lê:

É imprescindível considerar o mundo vivencial dos alunos, sua realidade próxima ou distante, os objetos e fenômenos com que efetivamente lidam. (BRASIL, 1999).

Além de estarem presentes de forma concreta na vida dos estudantes os semicondutores e suas aplicações permitem discussão de conceitos e fenômenos que não estão restritos à Física, mas que fazem conexões e se complementam com assuntos geralmente abordados pela Química ou por disciplinas consideradas técnicas ou específicas. Assim, atividades sobre semicondutores podem ser desenvolvidas de maneira interdisciplinar.

Outra preocupação constante no ensino de física são as metodologias didático-pedagógicas utilizadas. A diversidade metodológica prioriza o desenvolvimento de diferentes tipos de competências, juntamente com o aprendizado dos conteúdos das disciplinas. As metodologias ativas, particularmente, fundamentam-se na perspectiva de que o estudante deve ser sujeito do seu processo de aprendizagem (FREIRE,1996; LOURENÇO FILHO, 2002), participando efetivamente das aulas com questionamentos, levantamento de hipóteses, investigação de fenômenos, realizando as tarefas propostas da forma mais adequada ao seu ritmo próprio e seus conhecimentos prévios.

Levando em consideração os aspectos acima mencionados -contextualização, interdisciplinaridade e metodologias ativas - este trabalho consistiu na elaboração e aplicação de atividades práticas para o ensino de conceitos científicos com base em Semicondutores em aulas de Física do ensino médio.

## 2. Metodologia e Contexto

- O trabalho foi desenvolvido no Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de São Paulo, com estudantes do segundo ano do curso técnico integrado ao ensino médio com habilitação em Automação Industrial.

Uma pesquisa com os estudantes da turma, composta por um total de 35 jovens bastante participativos, mostrou que estes alunos provêm de famílias constituídas em sua maioria por cinco pessoas, possuem idades entre 16 e 19 anos e 94% frequentaram o ensino fundamental em escolas públicas estaduais ou municipais.

Como metodologia de pesquisa para o desenvolvimento do trabalho foi escolhida a pesquisa participante, descrita de forma breve por SEVERINO (2007) como sendo 'aquela em que o pesquisador, para realizar a observação dos fenômenos, compartilha a vivência dos sujeitos pesquisados, participando, de forma sistemática e permanente, ao longo do tempo da pesquisa, das suas atividades'.

- O processo de pesquisa foi subdividido em quatro etapas, que não são estanques e podem sobrepor-se no curso do trabalho. O primeiro passo foi o planejamento, que neste caso envolveu a elaboração de atividades sobre semicondutores que tornasse mais atrativo o estudo da ciência. Na segunda etapa execução - foram aplicadas em sala de aula as atividades previamente planejadas. A terceira etapa, de observação, incluiu a coleta de dados através de registros fotográficos, questionários e dos trabalhos práticos e relatórios feitos pelos estudantes. Finalizando o processo encontra-se a fase de análise dos dados

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coletados, o que foi feito através da organização do material produzido em categorias de respostas e na elaboração de gráficos, tabelas dos dados quantitativos.

## 3. Atividades Desenvolvidas

Para a escolha das atividades foram priorizados dois aspectos: assuntos que fizessem conexões entre a Física e outras disciplinas relacionadas à vida acadêmica dos estudantes, em especial a Química e a Eletrônica; situações práticas que exigissem a participação ativa dos estudantes durante todo o processo e desenvolvessem diferentes habilidades e competências. Assim, foram selecionadas quatro atividades que serão descritas separadamente na sequencia.

## Pesquisa e produção de texto

Para introduzir o tema 'Semicondutores' aos estudantes a primeira atividade proposta foi a realização de uma pesquisa sobre o assunto. Os alunos foram divididos, por livre escolha, em grupos de até 6 integrantes. Para orientar a pesquisa foram apresentados alguns questionamentos: 'O que são semicondutores?', 'Quais são os semicondutores mais comuns?', 'Como é a estrutura atômica/ cristalina desses materiais?', 'Onde podem ser utilizados?', e 'Qual a relação que este tipo de material tem com o curso de Automação Industrial?'.

Com base nas informações obtidas na pesquisa os estudantes deveriam elaborar um trabalho escrito ou impresso, contendo as informações solicitadas nos questionamentos. Foi fornecido um prazo de aproximadamente um mês para a realização da pesquisa e a elaboração do trabalho escrito. Após o recolhimento dos trabalhos foram feitas perguntas de forma oral, para observar se o conteúdo pesquisado havia sido compreendido ou não.

De modo geral, todos os grupos souberam descrever o que são os semicondutores de acordo com o que consta dos livros didáticos tradicionais de Física (KELLER; GETTYS; SKOVE, 1999) . Alguns de forma simples e direta, como: 'Os semicondutores são materiais de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes.'; outros grupos com respostas mais completas, incluindo discussão sobre o tipo de ligação presente nos semicondutores, representações gráficas, estrutura de bandas e explicação do que são os semicondutores extrínsecos e os intrínsecos.

Quanto à informação sobre quais os principais materiais semicondutores, todos os grupos citaram o silício e o germânio. Alguns grupos completaram esta parte do trabalho inserindo imagens dos materiais e citando outros materiais semicondutores como gálio, cádmio e arsênio.

Em relação às estruturas atômicas e cristalinas dos materiais semicondutores, que se pode estudar em SZE (1981), ocorreu uma grande diferença entre os trabalhos, pois alguns apresentaram apenas a estrutura cristalina, outros a estrutura atômica, outros uma representação das ligações químicas, além disso, alguns grupos fizeram suas próprias imagens e outros a tiraram de fontes da Internet. Apenas quatro grupos apresentaram os dois tipos de estrutura.

Oito dos nove grupos conseguiram citar relações dos semicondutores com o cotidiano, e todos fizeram ótimas associações sobre a relação dos semicondutores

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com o curso técnico em Automação Industrial, como podemos observar a partir de algumas respostas destacadas:

'Os semicondutores são materiais de grande importância para a eletrônica, sendo componentes fundamentais para circuitos. Nosso curso é sobre automatização de processos industriais, e para a realização desses processos são necessários a montagem de circuitos para que haja a automatização.';

'Hoje em dia, a maioria dos chips semicondutores e transistores é produzida com silício, logo pode-se dizer que o silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico. O curso de automação envolve muita tecnologia, principalmente quando se vai ao laboratório, onde se faz a prática, portanto é essencial saber com o que se vai trabalhar, devemos saber dos semicondutores e suas aplicações.'

Os trabalhos receberam notas entre 0 e 2 pontos, que foram utilizados para compor a nota bimestral dos alunos. A maior nota foi 1,9, num trabalho bastante completo e bem apresentado e a menor nota foi 0,8, por excesso de cópia das fontes de referência. A média de notas obtidas pelos grupos foi de 1,3 pontos.

## Montagem de estrutura cristalina

Nesta segunda atividade os alunos realizaram a montagem da estrutura cristalina de semicondutores típicos como o Germânio e o Silício, conforme apresentado em SZE (1981), com palitos de churrasco e bolinhas de isopor. O desenvolvimento da atividade permitiu explorar tanto aspectos da disciplina de Química, quanto de Física. Para conseguir montar a estrutura adequada foi necessário que o estudante procurasse saber, por exemplo, qual o número de elétrons na camada de valência do Germânio ou Silício e qual a geometria das ligações que formam a estrutura.

A montagem foi feita na própria sala de aula, sendo a turma divida em grupos de no máximo cinco alunos, num total de 08 grupos. Os grupos se organizaram na sala, agrupando carteiras ou formando círculos. No início dos trabalhos foi apresentada uma maquete pronta, com a estrutura de uma rede cristalina do tipo diamante, que é própria dos semicondutores típicos. Também foram fornecidas orientações para a montagem, com explicação sobre a ligação tetragonal, que é a que se faz presente nesta estrutura e sobre o posicionamento dos átomos na rede.

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Figura 01: Cristais semicondutores construídos pelos estudantes .

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Durante a atividade, alguns grupos encontraram dificuldade em trabalhar com o material fornecido, uma vez que ao inserir novas bolinhas algumas que já estavam na estrutura caiam, dificultando o processo de construção do cristal. Houve diferença no método de montagem: alguns tentaram acompanhar o modelo que havia sido projetado na lousa, demorando bastante para realizar a montagem que ficou bastante satisfatória; outros optaram pela montagem de moléculas individuais na geometria tetraédrica com posterior conexão das partes, o que foi mais rápido, mas não chegou a resultados tão bons. Exemplos das montagens dos grupos podem ser observados na Figura 01.

## Curvas de tensão em função de corrente

Esta atividade teve como intuito principal explorar as relações entre Física e Eletrônica, no que diz respeito ao estudo das curvas de corrente em função da tensão em dispositivos semicondutores - como apresentadas em ANGELO et al. (2012) ou em REZENDE (2004) - comparando estas curvas com as que são produzidas por dispositivos ôhmicos.

Para o desenvolvimento desta atividade, que ocorreu no laboratório de física da escola, os alunos foram novamente divididos em grupos. Cada grupo recebeu um conjunto de materiais necessários à atividade e através dos esquemas elétricos que constavam do roteiro fornecido e de orientações verbais, construíram o circuito mostrado na Figura 02.

Figura 02: Circuito para análise da curva I x V em diferentes materiais

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Com o circuito montado foi realizado o seguinte experimento: para cada material de teste - resistor, lâmpada e LED (diodo emissor de luz) - o grupo variou a tensão da fonte de alimentação de 0 a 2V, com intervalos de 0,2V, e com o auxilio do multímetro observou e anotou os valores de corrente, preenchendo uma tabela. O procedimento foi repetido invertendo também a polaridade dos dispositivos.

A partir dos dados tabelados os grupos construíram gráficos I x V dos materiais. No caso do resistor e da lâmpada o resultado foi independente da polaridade e para o LED os dois gráficos foram construídos, como se pode observar na Figura 03.

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Figura 03: Gráficos I x V do resistor, lâmpada, LED polarizado diretamente e reversamente.

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Como uma segunda parte desta atividade, para aprofundar a análise e a discussão sobre o tema, os alunos responderam algumas perguntas. Foi questionado se a lâmpada ou o LED tinham comportamento semelhante ao do resistor e o que isto significava; a maioria dos grupos deu respostas corretas, associando a lâmpada ao resistor, com boas explicações a respeito. Outra questão referiu-se ao o que acontece quando se altera o sentido do LED e se o mesmo acontece com a lâmpada e com o resistor; ainda que com diferentes graus de compreensão os grupos mostraram entender que apenas o LED tem condução de corrente dependente da polaridade. Como última questão foi solicitada uma análise dos gráficos construídos perguntando se havia diferença no comportamento dos diferentes materiais; algumas das respostas oferecidas estão destacadas abaixo:

'Sim, porque o LED só funciona depois que chega a sua tensão mínima.';

'Sim, podemos notar que alguns materiais são mais condutores de corrente elétrica que outros.';

'Sim, porque o resistor mantem uma reta, o led um pico rapidamente próximo a 2V, e a lâmpada possui uma pequena curva. Ou seja, o led necessita de uma tensão exata para acender, após alcançá-la não varia.';

'Sim. Por exemplo, no gráfico da lâmpada a uma mudança de comportamento de condução elétrica, subindo a corrente gradativamente, sendo similar ao resistor. Já o LED, só há alteração de corrente quando a tensão do mesmo chega as especificações do LED.'

## Condutividade em função da temperatura

A atividade permitiu o estudo da mudança na resistividade dos materiais com a variação da temperatura, cuja teoria pode ser verificada em SZE (1981), mostrando a diferença entre metais e semicondutores. Para a realização deste experimento, que também foi feito no laboratório de física, a turma foi dividida em apenas dois grupos, devido à escassez de material apropriado à atividade, que deve ser bastante específico para a obtenção de bons resultados. Os materiais utilizados foram ebulidor, recipiente, água, suporte universal, garras, multímetro, termômetro, além de uma amostra semicondutora (silício com dopagem tipo n) e outra condutora (fio metálico), na montagem da Figura 04.

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Figura 04 -Sistema para análise da condutividade em função da temperatura

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Em um primeiro momento foi inserido no sistema o material semicondutor. A água foi aquecida com o ebulidor e os estudantes foram observando e anotando os valores de temperatura - mostrados no termômetro - e resistência - medidos com o multímetro - em diferentes momentos. Os dados obtidos foram organizados em uma tabela. Na segunda etapa, os alunos realizaram o mesmo procedimento trocando o material semicondutor pelo condutor. Ressalta-se que a água do recipiente foi substituída para esta nova etapa, garantindo uma temperatura inicial igual à ambiente.

Após todos os resultados estarem organizados em tabelas, cada grupo escolheu entre seus integrantes de um a dois para elaboraram um gráfico da resistência em função da temperatura para cada material. Os gráficos de um dos grupos estão apresentados na Figura 05.

Figura 05 : Gráficos de R x T: a) Para o semicondutor; b) Para o condutor .

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Foi possível, através dos gráficos, que os alunos observassem claramente o comportamento do material semicondutor. Fica evidente que no caso do semicondutor, conforme sua temperatura aumenta ocorre a diminuição da sua resistência; em contrapartida, o material condutor comporta-se de maneira inversa, uma vez que ao aquecer tal material o mesmo tem o aumento de sua resistência.

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## Questionário Final

Após a realização de todas as atividades pela turma foi aplicado um último questionário, para verificar a impressão dos próprios estudantes sobre os conhecimentos construídos no processo.

Para iniciar os estudantes foram questionados sobre a atividade que mais gostaram. A maioria apontou como atividade preferida a 'Montagem da estrutura cristalina', justificando este fato pela praticidade da atividade e/ou pela possibilidade de visualização da teoria, como em 'Porque ajuda a visualizar e entender melhor o que foi passado, explicado.' ou 'Apliquei na prática o que aprendi na teoria'.

Continuando com o questionário, foi questionado aos alunos se eles conseguiam relacionar o assunto 'Semicondutores', com a Química, Física ou a Eletrônica. As respostas estão agrupadas no gráfico da Figura 06 e mostram que para a grande maioria dos estudantes relações entre os três componentes curriculares foram identificadas.

Figura 06 : Relações identificadas pelos estudantes entre Semicondutores e os componentes

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curriculares de Física, Química e Eletrônica.

Para finalizar o questionário, foi indagado se as atividades ajudaram na formação geral dos estudantes. Como resposta para esta questão apenas um aluno respondeu de forma negativa, justificando que as mesmas 'foram muito rápidas'. Os demais alunos assinalaram a alternativa 'sim', demonstrando que as atividades foram eficazes para a sua formação. Algumas justificativas oferecidas para a afirmação foram:

'Com as atividades, consegui entender melhor a estrutura e sua importância';

'Sim, pois estas atividades nos ajudam a entender a matéria, principalmente as praticas';

'Sim, pois tendo atividades praticas juntamente com as teóricas auxilia no aprendizado.'.

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## 4. Considerações Finais

À primeira vista se pôde notar que houve grande participação dos estudantes durante cada semana de atividade, tanto no desenvolvimento dos experimentos quanto nas montagens e discussões em sala de aula. O trabalho em grupo foi bastante produtivo, de forma que todos contribuíram nas tarefas para as quais tinham maior habilidade, além da aprendizagem em relação à convivência e cooperação para alcançar um objetivo.

O sucesso no uso dos semicondutores como tema contextualizador pôde ser verificado já na primeira atividade, em que os estudantes estabeleceram relações bastante interessantes entre este tema seu cotidiano e o curso técnico que estão frequentando.

A capacidade interdisciplinar do tema e a validade da abordagem adotada podem ser verificadas através das respostas que os estudantes forneceram no último questionário diagnóstico, já que todos os estudantes consideraram haver relação dos semicondutores tanto com a Química quanto com a Eletrônica.

A eficiência dos métodos didático-pedagógicos utilizados pode ser verificada nos materiais produzidos pelos estudantes e já mencionados, nas respostas a questões sobre semicondutores inseridas na avaliação bimestral e nas respostas ao último questionário. Os trabalhos e relatórios geraram textos, representações gráficas, análises e respostas corretas sobre os diferentes aspectos dos semicondutores. Na prova, a grande maioria da sala respondeu de forma adequada, oferecendo explicações bastante complexas sobre o tema e citando de maneira correta os materiais utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos. No questionário os alunos apontaram as aulas práticas como uma forma de melhorar a aprendizagem.

Por fim, a análise do questionário final aponta para o fato de que os próprios estudantes consideraram que as atividades desenvolvidas contribuíram com sua formação, permitindo a compreensão sobre a estrutura e o funcionamento de elementos fundamentais à tecnologia moderna.

## Referências

ANGELO, E. B. et al. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores . 13.ed. São Paulo: Érica, 2012.

BRASIL, Ministério da Educação, Parâmetros Curriculares Nacionais: ensino médio. Brasília: Ministério da Educação, 1999.

FREIRE, P. Pedagogia da Autonomia: saberes necessários à prática educativa . São Paulo: Paz e Terra, 1996.

KELLER, F.J., GETTYS, W.E., SKOVE, M.J., Física: volume 2 . São Paulo: Makron Books, 1999.

LOURENÇO FILHO, M. B. Introdução ao Estudo da Escola Nova . 14. ed. Rio de Janeiro: Eduerj, 2002.

REZENDE, Sergio M. Materiais e Dispositivos Eletrônicos. 2.ed. São Paulo: Livraria da Física, 2004.

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SEVERINO, A. J. Metodologia do Trabalho Científico. 23.ed. São Paulo: Cortez, 2007.

SZE, S.M. Physics of Semiconductor Devices. 2.ed. New Jersey: John Wiley and Sons, 1981.

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