PROPOSTA DE UMA UEPS PARA O ENSINO DE SEMICONDUTORES E O FUNCIONAMENTO DO LED

## PROPOSTA DE UMA UEPS PARA O ENSINO DE SEMICONDUTORES E O FUNCIONAMENTO DO LED

Sebastião Carlos do Espirito Santo , Marcelo Oliveira da Costa Pires 1 2

1 Liceu Coração de Jesus - Colégio Salesiano, scarlos15@hotmail.com 2 UFABC / CCNH, marcelo.pires@ufabc.edu.br

## Resumo

Estudantes tem em seu cotidiano o convívio com dispositivos eletrônicos que em seus interiores possuem semicondutores, cuja compreensão de seu funcionamento depende de um conhecimento mesmo que superficial em Física Moderna. Porém o conhecimento desses estudantes sobre o assunto, não é pleno, tornando o saber acrítico sobre o tema, devido à falta de informação sobre o assunto abordado seja no Ensino Básico. Propomos uma sequência didática para levar o conhecimento de Física Moderna necessária para explicar o comportamento de materiais semicondutores e, consequentemente, o funcionamento do LED. Dentre as várias metodologias, escolhemos a Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), pois levam em consideração os conhecimentos prévios que o aluno possui, além de procurar fornecer um significado relevante sobre a importância do assunto abordado. Na proposta da UEPS privilegiamos o uso da metodologia de Sala de Aula Invertida onde o docente oferece ao aluno condições para um estudo fora da sala de aula. Dessa forma promovemos que o aluno estabeleça o seu ritmo de aprendizado e que o tempo em sala de aula possa ser utilizado para o aprofundamento dos assuntos abordados. Esperamos com isso ascender o espirito investigativo no aluno. Esse produto educacional pode ser aplicado com alunos do 2° ou 3° EM (segundo ou terceiro ano do ensino médio), desde que já tenham conhecimentos básicos em eletricidade como corrente e resistência elétrica, tensão e circuitos. Espera-se que esta proposta possa preencher a falta de material instrucional para o professor que deseja trabalhar de forma inovadora sobre o tema.

Palavras-chave : Física Moderna, semicondutor, Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS).

## Introdução

A inserção do tema 'Física Moderna' no currículo do ensino médio já é previsto e incentivado desde a promulgação dos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (BRASIL, 2000 pág.19). Apesar disso, o excesso de conteúdo curricular, a distância da Física Moderna na vida cotidiana e a má formação profissional de alguns docentes (FILHO, 2012) não facilitam a inserção do tema em sala de aula.

- O desafio em inserir o conteúdo de Física Moderna no ensino médio mostrase, por vez, complexo. Apesar dessa dificuldade, essa ação é necessária e essencial para a formação do cidadão moderno. Pois em nosso mundo contemporâneo, existem dispositivos eletrônicos, fenômenos e técnicas que precedem o conhecimento, mesmo que superficial, da Física Moderna. Dessa maneira, espera-se de um cidadão egresso do ensino médio a desmistificação do funcionamento de dispositivos eletrônicos como o computador, calculadora, micro controladores, smartphones, flash drives, entre outros (SÃO PAULO, 2012).

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O desafio é grande, pois o professor de ensino médio sente-se incapaz de inserir o tema sobre dispositivos eletrônicos diante da grande quantidade de conteúdos presentes na maioria dos currículos praticados (BRASIL, 2002 pág. 60). Essa grande quantidade de temas tratados no EM está fora dos domínios do professor em sala de aula, pois há demanda das instituições de ensino e/ou dos vestibulares. Outro ponto agravante para a dificuldade do ensino de dispositivos eletrônicos é a complexidade do principio físico de funcionamento dos dispositivos que contém semicondutores. Para compreender os dispositivos semicondutores é necessário um profundo e amplo conhecimento de transporte eletrônico. Muitos dos professores não têm conhecimento para desenvolver o tema. Essa falta de fluência sobre o assunto causa insegurança no professor em sala de aula e, portanto, esses assuntos não são tratados mesmo que de maneira superficial. Os temas abordados encontram-se nos materiais de apoio ao professor.

Outro ponto que dificulta o ensino de Física Moderna é a qualidade do material e o isolamento do tema em relação aos tópicos de física apresentados no ensino médio (BRASIL, 2002 pág. 61). Em geral o tema de Física Moderna é mostrado ao aluno no final do 3º ano de maneira superficial e desconectada do cotidiano do aluno e dos temas abordados anteriormente. Como exemplo, o princípio de incerteza de Heisenberg é um dos temas da Física Moderna tratado no ensino médio cuja relevância para o cotidiano do aluno está numa possível questão a ser feita quando este estiver sendo avaliado para ingressar em algum curso superior. A conexão do princípio com os temas tratados anteriormente resume-se à cinemática contida no currículo do 1º ano.

Não deixemos de mencionar a falta de interesse pela Física presente no aluno do ensino médio. A apresentação de Física Moderna se restringe ao contexto histórico prejudicando o interesse no tema, devido aos instrumentos mostrados aos alunos serem descontextualizados de sua realidade no seu cotidiano. Exemplificamos essa descontinuidade no ensino do princípio de incerteza. Com esse tema não há a ligação com as ideias de utilitarismo da ciência. Porém a abstração feita para entender o princípio leva o aluno a um exercício mental desconexo do seu cotidiano. Tal esforço poderia ser melhor aproveitado descrevendo o funcionamento de dispositivos eletrônicos cuja essência de funcionamento esteja na Mecânica Quântica.

Diante da condição desfavorável para o ensino de Física Moderna onde o tema é tratado isoladamente em relação aos demais conteúdos. Estudamos maneiras de incluir o tema de Física Moderna junto a outros temas tratados no ensino regular de física. Uma dessas maneiras é dialogar Física Moderna com os alunos através de questões que envolvam o cotidiano deles (SÃO PAULO, 2012, pág.99).

Dentre os temas levados em considerações para tal tarefa, foi escolhido dispositivo eletrônico com semicondutores. Nosso objetivo será de levar a compreensão do comportamento de materiais condutores, não condutores e de semicondutores e suas aplicações em dispositivos eletrônicos. Por questão de quantidade de conteúdo e de contextualização à grade regular, tratamos esse tema nas aulas de eletrodinâmicas.

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## Metodologia

A metodologia aplicada nesse trabalho é baseada na Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel (MOREIRA, 2015). MOREIRA (2016) propõe um procedimento de sequências de aula na qual ocorre a aprendizagem significativa, esse modelo é conhecido como Unidades de Ensino Potencialmente Significativas (UEPS). Os princípios propostos na UEPS são fundamentados na construção de um planejamento cujo destaque está na aprendizagem significativa. Para o desenvolvimento da UEPS foi necessário realizar, a diferenciação progressiva, a reconciliação integradora, a organização sequencial e a consolidação em sua organização de ensino.

Construímos a UEPS com o tema de Dispositivos Eletrônicos Semicondutores (DES), contemplando vários conceitos a serem trabalhados pelo método. A UEPS desenvolvida envolveu os seguintes passos descritos em (MOREIRA, 2016).

Em nosso programa instrucional, teremos como metodologia cinco tarefas consistentes com a facilitação da aprendizagem significativa. São eles:

- 1. identificar o conhecimento prévio referente ao assunto de transporte eletrônico e constituição de materiais no estado sólido;
- 2. identificar os conceitos, as proposições e as ideias claras sobre o tema relevante à aprendizagem do conteúdo de transporte eletrônico em materiais semicondutores;
- 3. diagnosticar, mapear e organizar o conhecimento prévio disponível na estrutura cognitiva do aluno;
- 4. ensinar usando os princípios de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS) e concomitante a Sala de Aula Invertida (BERGMANN e SAMS, 2016), sendo um método apropriado para facilitar a aquisição da estrutura conceitual. Nesta proposta acredita-se que o papel do professor será de instigar a investigação, assim como também auxiliar o aluno a assimilar o tema e organizar sua própria estrutura cognitiva;
- 5. mensurar a organização cognitiva sobre o tema através de avaliações diferenciadas sobre a clareza, a estabilidade e o domínio do tema.

Além das cinco tarefas consistentes à facilitação da aprendizagem significativa citadas à cima, em determinadas aulas ocorrerão indícios de uma 'Sala de Aula Invertida' (BERGMANN e SAMS, 2016).

Para a realização das cinco tarefas, propomos a seguinte sequência de ensino na qual será aplicada a uma turma de ensino médio de 3º ano. A UEPS, dessa forma, foi elaborada através dos seguintes passos:

## 1. Situação inicial:

Construir com os alunos aspectos relevantes sobre o LED como: utilidade, aplicação, onde são empregadas suas vantagens e como funciona. Anotar todas as informações expostas pelos alunos, seguido de colaborações de todos em colocar as informações mais relevantes em um diagrama de forma hierárquica. Desse modo, a turma constrói um mapa mental sobre o assunto. Neste primeiro momento, o

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professor observa e analisa as associações feitas pelos alunos, assim como suas representações e associações de seus conhecimentos a partir da palavra chave LED ou de sua imagem. Desta forma o professor pode, posteriormente, fazer a relação com a física compreendendo o seu funcionamento. A atividade ocupará uma (1) aula.

- 2. Situação problema iniciais:

Propor uma atividade de pesquisa a ser feita em casa para um grupo de aproximadamente 5 (cinco) alunos participantes no máximo. Nessa situação os alunos buscam informações relevantes orientados pelas seguintes questões abaixo:

- a) Quais tipos de lâmpadas existentes? Qual lâmpada consome menos energia elétrica?
- b) Cite o principio de funcionamento das seguintes lâmpadas: incandescente, fluorescente e de LED.
- c) Aspectos positivos e negativos das seguintes lâmpadas: incandescente, fluorescente e de LED.
- d) Como um elétron pode produzir luz?
- e) O que faz um LED emitir cores diferentes e quais são estas cores?
- f) Qual a melhor TV, LCD, Plasma ou LED?
- g) Qual TV consome menos energia?
- h) Onde encontramos outras aplicações do LED em nosso cotidiano?

Na sala de aula, haverá a oportunidade de discussões sobre os temas apresentados acima com um grande grupo mediado pelo professor. O papel dessa mediação é essencialmente de provocar a curiosidade sobre o assunto em questão e ouvir a opinião geral analisando os conceitos prévios dos grupos.

Após a resolução do questionário, os grupos construirão um mapa conceitual do que foi encontrado em suas pesquisas a ser entregue ao professor para uma avaliação qualitativa. A atividade ocupará uma (1) aula e uma tarefa extraclasse.

- 3. Aprofundamento dos conhecimentos:

A atividade anterior permitirá ao professor ter acesso ao conteúdo do conhecimento prévio que o aluno possua em relação ao tema. Nesse momento, o professor poderá realizar duas aulas potencialmente significativas sobre transporte eletrônico em materiais condutores isolantes, semicondutores, bem como, junções e dispositivos semicondutores e o LED. O professor ministrará essas aulas seguindo os princípios facilitadores da teoria de Ausubel que são: diferenciação progressiva, reconciliação integradora, organização sequencial e consolidação. Baseado nesses princípios, as aulas ocorrerão através de quatro momentos. O primeiro será a

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diferenciação progressiva, onde serão retomados os conhecimentos prévios dos alunos em relação ao tema, e levando-os esses conceitos a definições mais específicas e formais sobre o transporte eletrônico. A reconciliação será feita em um movimento oposto na qual os conhecimentos formais sobre o tema serão relacionados com os conhecimentos prévios sobre o assunto. O professor finalizará essa aula potencialmente significativa utilizando-se do princípio facilitador de organização sequencial, onde o conceito formal sobre os tipos de transporte serão colocados de forma lógica, seguindo materiais tradicionais sobre o assunto e materiais potencialmente significativos tais como dissertações de mestrados (Calil, 2010), notas de aula de cursos de graduação (ROLIM 2001 - MACEDO, 2012 e , WENDLING, 2009), apostilas de cursos técnicos superiores (UNIOESTE), apresentação em multimídia (TIMÓTEO, 2013) e simulações (PHET, 2016).

No final dessa atividade, haverá o momento da consolidação do conteúdo apresentado. Esse momento será proporcionado por uma tarefa extraclasse na qual os grupos terão de fazer uma simulação computacional do PHET (PHET, 2016) sobre o transporte eletrônico em um semicondutor contendo uma junção p-n. Na figura 01 temos a visualização da simulação do PHET sobre condutividade.

Figura 01: Simulação sobre condutividade em materiais semicondutores.

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O grupo de alunos deverá entrar no site de simulação computacional do PHET ( https://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulation/legacy/semiconductor ), e baixar o simulador e instala-lo. Esta orientação será passada em sala de aula com o auxilio do professor.

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A simulação utilizada constitui de uma representação diagramada do transporte eletrônico em um meio semicondutor. O material semicondutor é representado por uma faixa de coloração lilás no circuito (ver fig. 01) e os elétrons, portadores de cargas negativas são representados por bolinhas azuis. Como parte da diagramação do semicondutor, uma ponta de prova leva a um diagrama quântico de energia do material na qual os elétrons possam ocupar. Os níveis são dispostos de tal maneira que haja uma região no diagrama cujos níveis estão próximos formando uma banda de energia, separadas por uma lacuna com energias inacessíveis aos elétrons. Pelo princípio de Pauli, a ocupação do estado de menor energia se dá dois a dois dos níveis mais baixos. No caso de um material isolante e semicondutor em temperatura nula, os elétrons preenchem a banda de energia de maneira que, para excitar um elétron, deve-se fornecer uma energia mínima correspondente ao tamanho da lacuna. Ao ligar o material com a bateria, a depender da tensão aplicada os elétrons podem adquirir energia suficiente para ocupar níveis maiores e, com isso, ser transportado através do material. Numa primeira etapa da simulação pode-se verificar a tensão mínima na qual é possível excitar os elétrons e promover a condutividade no material. Na simulação sugerida, usaremos a opção de ter dois semicondutores ligados por uma junção. Nessa simulação, é possível transformar essas regiões em semicondutores dopados atribuindo essa condição. Ao dopar as regiões vemos mudanças do diagrama de energia. Para a região com dopagem tipo N, os elétrons excedentes ocupam um nível na região da lacuna. Para o tipo P, os elétrons faltantes deixam de ocupar um nível na banda de energia. Ao ligar a junção na bateria com uma tensão baixa, vemos que a polaridade da bateria é fator crucial para o transporte eletrônico. Há corrente elétrica se houver a polarização direta onde o lado P da junção seja ligado com o lado positivo da bateria e não haverá corrente caso tenhamos uma polarização inversa. Esse fenômeno é representado no diagrama pela possibilidade ou impossibilidade dos elétrons fazerem um salto quântico na interface da junção. O funcionamento do LED é explicitado no mecanismo dos saltos quânticos que os elétrons possam fazer. Ao executar um salto de um nível energético para um nível de menor energia, é emitido um fóton cuja energia é da altura do salto.

Baseado nessa simulação, sugerimos o seguinte roteiro/questionário para orientá-los nessa atividade.

- a) Selecione o segmento 1, em seguida faça uma dopagem Tipo N (bolinhas de cor verde) no semicondutor (retângulo de cor lilás). Click nas esferas verdes e arraste ate o retângulo lilás, em seguida inicie a simulação aumentando a tensão aos poucos, observe e explique o que ocorre.
- b) Posteriormente atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
- c) Repita o procedimento dos itens 'a' e 'b' com dopagem Tipo P e explique o que ocorre.
- d) Selecione o segmento 2, em seguida faça uma dopagem Tipo N nos dois campos disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
- e) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.

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- f) Selecione o segmento 2, em seguida faça uma dopagem Tipo P nos dois campos disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
- g) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
- h) Selecione o segmento 2, em seguida faça uma dopagem Tipo P no primeiro campos e Tipo N no segundo campo disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
- i) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.
- j) Selecione o segmento 2, em seguida faça uma dopagem Tipo N no primeiro campos e Tipo P no segundo campo disponíveis do semicondutor e inicie a simulação e vá aumentando a tensão aos poucos. Explique o que ocorre.
- k) Atribua uma tensão negativa e explique o que ocorre.

A resposta a esse roteiro/questionário será entregue no início da próxima etapa e será utilizada com fundamentação para a nova situação problema e para uma avaliação qualitativa ao final da UEPS. A atividade ocupará duas (2) aulas e uma tarefa extraclasse.

- 4. Nova situação problema, em nível mais alto de complexidade:

Iniciamos esta situação com um debate sobre o tarefa realizada extraclasse na etapa 3. Após essa discussão mediada pelo professor, haverá uma nova atividade de pesquisa para os grupos. O professor apresenta o seguinte questionário a ser respondido primeiramente em classe e posteriormente extraclasse.

- a) O que é um material condutor, isolante e semicondutor?
- b) O que é dopagem? Quais são os tipos de dopagem?
- c) O que é um diodo, de que consiste um diodo?
- d) Qual o princípio de funcionamento de um diodo e qual sua utilidade?
- e) Como um elétron pode produzir luz?
- f) Qual o princípio de funcionamento do LED?
- g) O que faz um LED emitir cores diferentes e quais são estas cores?
- h) Quais são as aplicações de um LED atualmente?

Na aula de entrega da atividade acima será promovido um momento de discussão em grupo sobre as informações relevantes e pertinentes ao assunto

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estudado, sendo o professor um atuante como mediador da situação. A atividade ocupará duas (2) aulas, e terá uma tarefa extraclasse.

- 5. Avaliação somativa individual:

Neste momento será proposta a realização de uma atividade individual com questões abertas envolvendo os conceitos discutidos nas aulas anteriores. As questões devem apresentar respostas que expressem a compreensão do aluno e que deem evidencias de uma aprendizagem significativa. Faremos a seguintes questões:

- a) Quais são as condições para ter um material condutor, isolante ou semicondutor?
- b) Liste os materiais segundo a classificação de: Condutor, isolante e semicondutor.
- c) Um LED é aceso quando ligado a uma bateria. Por que ele não acende quando invertemos a polaridade da bateria?
- d) Como se dá a economia ao mudarmos as lâmpadas incandescentes de uma casa para lâmpadas LED?
- e) Quais são as vantagens de se utilizar iluminação LED?
- f) Quais são os benefícios da tecnologia LED ao meio ambiente?

Esta atividade poderá será feita extraclasse, pois consistirá em responder as questões que estarão no GoConqr (GoConqr, 2016), ou na sala de aula desde que o colégio disponha de recursos tecnológicos para que se possa acessar a internet.

Esta tarefa será considerada uma avaliação somativa para uma análise do ensino para identificar uma aprendizagem significativa. A atividade ocupará uma (1) aula ou uma tarefa extraclasse.

- 6. Aula final e avaliação da aprendizagem na UEPS em sala de aula:

Neste momento há uma revisão do tópico por duas abordagens. A primeira abordagem é calcada nos aspectos procedimentais do conteúdo destacando dedução de fórmulas, estratégias de compreensão e de resolução de exercícios. A segunda abordagem está na utilização dos dispositivos no cotidiano do aluno.

Esta revisão de conteúdo é baseada na análise sobre todos os textos e mapas conceituais construídos ao longo do processo de aprendizado. Para tanto, é necessário e com isso realizar comentários e discussões sobre a evolução do aprendizado com o aluno. Por fim, se for o caso, será realizado uma avaliação oral (ou escrita) por parte dos alunos que não atingiram o objetivo do aprendizado significativo.

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Além da avaliação formal e individual proposta anteriormente, os grupos farão um novo mapa conceitual. Esse mapa será comparado com o primeiro, a fim de identificar qualitativamente a evolução no aprendizado significativo do aluno.

Havendo uma falha na aprendizagem significativa identificada pela análise dos mapas e das avaliações, o professor deverá retornar o assunto de forma individual, procurando atender de forma eficaz a compreensão do tema abordado por parte do aluno. A atividade ocupará uma (1) aula.

## 7. Avaliação da UEPS:

A avaliação deve ser feita pelo professor através de uma análise qualitativa partindo dos resultados obtidos durante a aprendizagem. A análise da aprendizagem será dada pela evolução dos mapas conceituais, dos textos e das avaliações individuais realizados durante o processo de aprendizagem, e das observações feitas pelos alunos sobre a avaliação da UEPS a ser realizada como atividade extraclasse.

A UEPS proposta será realizada em 8 aulas.

## Considerações finais

A sequência de aulas proposta será aplicada em uma turma matutina do 3º ano do Ensino Médio composta por 15 alunos do Colégio Liceu Coração de Jesus localizado no bairro dos CAMPOS ELÍSEOS - SÃO PAULO - SP. Sendo um colégio da rede privada de ensino composta por alunos de classe média para alta, com faixa etária compreendida entre 17 e 18 anos, não exercendo trabalho remunerativo concomitante com o colégio. A aplicação do produto ocorrerá no terceiro trimestre de 2016, logo após os alunos terem estudado conceitos de eletricidade e magnetismo.

Espera-se após a aplicação desta sequência de ensino, que os alunos tenham capacidades de vislumbrar e reconhecer as diversas aplicações dos materiais semicondutores. Outra habilidade que a proposta pretende alcançar é do estímulo do espirito investigativo pelo aluno. O sucesso da proposta será medido pela capacidade dele analisar e compreender a eficiência e a economia de uma lâmpada de LED comparada com as demais lâmpadas incandescentes.

## Agradecimento

S. C. E. S. agradece a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Ensino Superior) pelo suporte financeiro na realização desse produto educacional.

## Referências

BERGMANN, Jonathan; SAMS, Aaron. Sala de Aula Invertida - uma metodologia ativa de aprendizagem; tradução Afonso Celço da Cunha Serra. - 1 ed. - [Reimpr.]. - Rio de Janeiro: LTC, 2016

BRASIL. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio (PCNEM). Parte III

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- Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC/SEMTEC, 4v, 2000. 58p.

BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria da Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares Nacionais + (PCN+) - Ciências da Natureza e suas Tecnologias. Brasília: MEC, 2002. 141p.

CALIL, Vanessa Luz e. Desenvolvimento de substratos poliméricos avançados para a aplicação em dispositivos orgânicos flexíveis. Dissertação de mestrado para a obtenção do grau de mestre em Física - Departamento de Física da PUC - Rio - 2010. Certificação digital nº 0721254/CA. Disponível em: &lt;http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0721254\_10\_cap\_02.pdf&gt; Acessado em 27/08/2016.

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FILHO, Luciano Mendes de Faria. A universidade e a formação de professores: uma discussão necessária. Disponível em: &lt;https://www.ufmg.br/boletim/bol1772/2.shtml&gt;. Acessado em 28/08/2016.

GoConqr; Disponível em: &lt; https://www.goconqr.com/pt-BR/ensinar/sala-deaula-invertida/&gt; Acessado em 28/08/2016.

MACEDO, Valquiria Gusmão. Notas de aula da disciplina MATERIAIS ELÉTRICOS 1. Capítulo 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - INSTITUTO DE TECNOLOGIA - FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA - 2012. Disponível em:

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