Elétrons e “buracos ''

Semicondutores puros são isolantes relativamente bons em comparação com metais, embora não tão bons quanto um isolante verdadeiro como o vidro. Para ser útil em aplicações de semicondutores, o semicondutor intrínseco (semicondutor puro não dopado) não deve ter mais do que um átomo de impureza em 10 bilhões de átomos semicondutores. Isso é análogo a um grão de impureza de sal em um vagão de carga de açúcar. Semicondutores impuros ou sujos são consideravelmente mais condutores, embora não tão bons quanto os metais. Por que isso pode ser? Para responder a essa pergunta, devemos olhar para a estrutura eletrônica de tais materiais na Figura abaixo.

Estrutura do elétron

A figura abaixo (a) mostra quatro elétrons na camada de valência de um semicondutor formando ligações covalentes com outros quatro átomos. Esta é uma versão achatada e mais fácil de desenhar da Figura acima. Todos os elétrons de um átomo estão ligados em quatro ligações covalentes, pares de elétrons compartilhados. Os elétrons não são livres para se mover na rede cristalina. Assim, semicondutores intrínsecos puros são isolantes relativamente bons em comparação com metais.



(a) Um semicondutor intrínseco é um isolante com uma camada completa de elétrons. (b) No entanto, a energia térmica pode criar poucos pares elétron-buraco resultando em condução fraca.

A energia térmica pode ocasionalmente liberar um elétron da estrutura do cristal como na Figura acima (b). Este elétron está livre para condução na rede cristalina. Quando o elétron foi liberado, ele deixou um ponto vazio com uma carga positiva na estrutura do cristal, conhecido como buraco . Este buraco não é fixado à rede; mas é livre para se mover. O elétron livre e a lacuna contribuem para a condução sobre a rede cristalina. Ou seja, o elétron está livre até cair em um buraco. Isso é chamado de recombinação . Se um campo elétrico externo for aplicado ao semicondutor, os elétrons e os buracos conduzirão em direções opostas. O aumento da temperatura aumentará o número de elétrons e lacunas, diminuindo a resistência. Isso é o oposto dos metais, onde a resistência aumenta com a temperatura, aumentando as colisões de elétrons com a rede cristalina. O número de elétrons e lacunas em um semicondutor intrínseco são iguais. No entanto, ambas as portadoras não necessariamente se movem com a mesma velocidade com a aplicação de um campo externo. Outra forma de afirmar isso é que mobilidade não é o mesmo para elétrons e lacunas.

Impurezas de semicondutores

Semicondutores puros, por si só, não são particularmente úteis. Porém, os semicondutores devem ser refinados para um alto nível de pureza como um ponto de partida antes da adição de impurezas específicas.

O material semicondutor puro para 1 parte em 10 bilhões, pode ter impurezas específicas adicionadas em aproximadamente 1 parte por 10 milhões para aumentar o número de portadores. A adição da impureza desejada a um semicondutor é conhecida como doping . A dopagem aumenta a condutividade de um semicondutor, tornando-o mais comparável ao metal do que um isolante.

É possível aumentar o número de portadores de carga negativa dentro da rede do cristal semicondutor por dopagem com um doador de elétrons como o fósforo. Doadores de elétrons, também conhecidos como tipo N Os dopantes incluem elementos do grupo VA da tabela periódica:nitrogênio, fósforo, arsênio e antimônio. O nitrogênio e o fósforo são contaminantes do tipo N para o diamante. Fósforo, arsênio e antimônio são usados ​​com silício.

A estrutura cristalina na Figura abaixo (b) contém átomos com quatro elétrons na camada externa, formando quatro ligações covalentes com átomos adjacentes. Esta é a rede de cristal antecipada. A adição de um átomo de fósforo com cinco elétrons na camada externa introduz um elétron extra na rede, em comparação com o átomo de silício. A impureza pentavalente forma quatro ligações covalentes a quatro átomos de silício com quatro dos cinco elétrons, encaixando-se na rede com um elétron sobrando. Observe que esse elétron sobressalente não está fortemente ligado à rede como os elétrons dos átomos de Si normais. É livre para se mover na rede cristalina, não sendo ligado ao sítio da rede Fósforo. Como dopamos uma parte do fósforo em 10 milhões de átomos de silício, poucos elétrons livres foram criados em comparação com os numerosos átomos de silício. No entanto, muitos elétrons foram criados em comparação com os poucos pares de elétron-buraco no silício intrínseco. A aplicação de um campo elétrico externo produz forte condução no semicondutor dopado na banda de condução (acima da banda de valência). Um nível de dopagem mais pesado produz uma condução mais forte. Assim, um semicondutor intrínseco de má condução foi convertido em um bom condutor elétrico.



(a) A configuração de elétrons da camada externa do Fósforo do tipo N do doador, do Silício (para referência) e do Boro do tipo P do aceitador. (b) A impureza doadora do tipo N cria elétron livre (c) A impureza do aceitador do tipo P cria o buraco, um portador de carga positiva.

Também é possível introduzir uma impureza sem um elétron em comparação com o silício, tendo três elétrons na camada de valência em comparação com quatro para o silício. Na Figura acima (c), isso deixa um local vazio conhecido como buraco , um portador de carga positiva. O átomo de boro tenta se ligar a quatro átomos de silício, mas tem apenas três elétrons na banda de valência. Na tentativa de formar quatro ligações covalentes, os três elétrons se movem tentando formar quatro ligações. Isso faz com que o buraco pareça se mover. Além disso, o átomo trivalente pode pegar emprestado um elétron de um átomo de silício adjacente (ou mais distante) para formar quatro ligações covalentes. No entanto, isso deixa o átomo de silício deficiente em um elétron. Em outras palavras, o buraco mudou para um átomo de silício adjacente (ou mais distante). Os orifícios residem na banda de valência, um nível abaixo da banda de condução. Dopagem com um aceitador de elétrons , um átomo que pode aceitar um elétron, cria uma deficiência de elétrons, o mesmo que um excesso de lacunas. Uma vez que os buracos são portadores de carga positiva, um dopante aceitador de elétrons também é conhecido como um tipo P dopante. O dopante tipo P deixa o semicondutor com um excesso de orifícios, portadores de carga positiva. Os elementos do tipo P do grupo IIIA da tabela periódica incluem boro, alumínio, gálio e índio. O boro é usado como um dopante do tipo P para semicondutores de silício e diamante, enquanto o índio é usado com o germânio.

A analogia da “bola de gude em um tubo” para a condução de elétrons na Figura abaixo relaciona o movimento dos buracos com o movimento dos elétrons. A bola de gude representa os elétrons em um condutor, o tubo. O movimento dos elétrons da esquerda para a direita como em um fio ou semicondutor do tipo N é explicado por um elétron entrando no tubo à esquerda forçando a saída de um elétron à direita. A condução de elétrons do tipo N ocorre na banda de condução. Compare isso com o movimento de um buraco na banda de valência.



Marble em uma analogia de tubo:(a) Os elétrons se movem para a direita na banda de condução conforme os elétrons entram no tubo. (b) O buraco se move para a direita na banda de valência conforme os elétrons se movem para a esquerda.

Para que um buraco entre à esquerda da Figura acima (b), um elétron deve ser removido. Ao mover um buraco da esquerda para a direita, o elétron deve ser movido da direita para a esquerda. O primeiro elétron é ejetado da extremidade esquerda do tubo para que o orifício se mova para a direita dentro do tubo. O elétron está se movendo na direção oposta do buraco positivo. À medida que o buraco se move mais para a direita, os elétrons devem se mover para a esquerda para acomodar o buraco. O buraco na ausência de um elétron na banda de valência devido ao doping do tipo P. Possui carga positiva localizada. Para mover o buraco em uma determinada direção, os elétrons de valência se movem na direção oposta.

O fluxo de elétrons em um semicondutor do tipo N é semelhante aos elétrons que se movem em um fio metálico. Os átomos dopantes do tipo N produzirão elétrons disponíveis para condução. Esses elétrons, devido ao dopante, são conhecidos como portadores majoritários , pois eles são a maioria em comparação com os poucos buracos térmicos. Se um campo elétrico é aplicado através da barra semicondutora do tipo N na Figura abaixo (a), os elétrons entram na extremidade negativa (esquerda) da barra, atravessam a rede cristalina e saem à direita para o terminal (+) da bateria.







(a) Um semicondutor do tipo n com elétrons movendo-se da esquerda para a direita através da rede cristalina. (b) Um semicondutor do tipo p com buracos se movendo da esquerda para a direita, o que corresponde a elétrons se movendo na direção oposta.

O fluxo de corrente em um semicondutor do tipo P é um pouco mais difícil de explicar. O dopante tipo P, um aceitador de elétrons, produz regiões localizadas de carga positiva conhecidas como lacunas. A portadora majoritária em um semicondutor do tipo P é o buraco. Embora buracos se formem nos sítios dos átomos dopantes trivalentes, eles podem se mover ao redor da barra semicondutora. Observe que a bateria na Figura acima (b) está invertida de (a). O terminal positivo da bateria é conectado à extremidade esquerda da barra tipo P. O fluxo de elétrons sai do terminal negativo da bateria, através da barra tipo P, retornando ao terminal positivo da bateria. Um elétron deixando a extremidade positiva (esquerda) da barra semicondutora para o terminal positivo da bateria deixa um buraco no semicondutor, que pode se mover para a direita. Os furos atravessam a estrutura do cristal da esquerda para a direita. Na extremidade negativa da barra, um elétron da bateria se combina com um buraco, neutralizando-o. Isso abre espaço para outro furo se mover na extremidade positiva da barra para a direita. Lembre-se de que, conforme os buracos se movem da esquerda para a direita, na verdade são os elétrons se movendo na direção oposta que são responsáveis ​​pelo movimento aparente do buraco.

Elementos usados ​​para produzir semicondutores

Os elementos usados ​​para produzir semicondutores estão resumidos na Figura abaixo. O germânio de material semicondutor a granel mais antigo do grupo IVA é usado apenas de forma limitada atualmente. Os semicondutores baseados em silício respondem por cerca de 90% da produção comercial de todos os semicondutores. Semicondutores baseados em diamante são uma atividade de pesquisa e desenvolvimento com potencial considerável no momento. Os semicondutores compostos não listados incluem silício germânio (camadas finas em pastilhas de Si), carboneto de silício e compostos III-V, como arsenieto de gálio. Semicondutores compostos III-VI incluem AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al _x Ga _1-x Como, e em _x Ga _1-x Como. As colunas II e VI da tabela periódica, não mostradas na figura, também formam semicondutores compostos.



Dopantes do tipo P do Grupo IIIA, materiais semicondutores básicos do grupo IV e dopantes do tipo N. do grupo VA.

A principal razão para a inclusão dos grupos IIIA e VA na Figura acima é mostrar os dopantes usados ​​com os semicondutores do grupo IVA. Os elementos do Grupo IIIA são aceitadores, dopantes do tipo P, que aceitam elétrons que deixam um buraco na rede cristalina, um portador positivo. O boro é o dopante do tipo P para o diamante e o dopante mais comum para os semicondutores de silício. O índio é o dopante do tipo P para o germânio.

Os elementos do grupo VA são doadores, dopantes do tipo N, produzindo um elétron livre. O nitrogênio e o fósforo são dopantes do tipo N adequados para o diamante. Fósforo e arsênico são os dopantes do tipo N mais comumente usados ​​para silício; entretanto, o antimônio pode ser usado.

REVER:

• Materiais semicondutores intrínsecos, puros até 1 parte em 10 bilhões, são maus condutores.
• Um semicondutor do tipo N é dopado com uma impureza pentavalente para criar elétrons livres. Esse material é condutor. O elétron é o portador majoritário.
• O semicondutor do tipo P, dopado com uma impureza trivalente, tem uma abundância de orifícios livres. Estes são portadores de carga positiva. O material tipo P é condutor. O buraco é a operadora majoritária.
• A maioria dos semicondutores é baseada em elementos do grupo IVA da tabela periódica, o silício é o mais prevalente. O germânio está quase obsoleto. Carbono (diamante) está sendo desenvolvido.
• Semicondutores compostos, como carboneto de silício (grupo IVA) e arseneto de gálio (grupo III-V) são amplamente utilizados.

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