Entendendo Elétrons, Lacunas e Dopagem em Semicondutores

Semicondutores puros exibem resistividade muito maior que metais, mas são muito menos isolantes que materiais como vidro. Para um semicondutor intrínseco (não dopado) funcionar efetivamente, sua pureza deve atingir pelo menos um defeito por 10 bilhões de átomos — equivalente a um único grão de sal em um vagão de trem cheio de açúcar. A introdução de impurezas intencionais — dopagem — aumenta significativamente a condutividade, embora ainda fique aquém dos níveis metálicos. Entender o porquê requer examinar a estrutura eletrônica do material (veja a Figura).

Estrutura Eletrônica

A Figura (a) mostra quatro elétrons de valência em um átomo de semicondutor formando ligações covalentes com quatro átomos vizinhos. Todos os elétrons estão presos nessas ligações, não deixando portadores de carga livres; consequentemente, um semicondutor intrínseco se comporta como um isolante relativamente bom comparado a metais.

(a) Um semicondutor intrínseco é um isolante com camada de valência preenchida. (b) Excitação térmica pode liberar alguns pares elétron-lacuna, gerando condução fraca.

Energia térmica ocasionalmente liberta um elétron da rede cristalina, como ilustrado na Figura (b). O elétron liberado pode mover-se livremente pela rede, enquanto a lacuna que deixa para trás carrega uma carga positiva — uma lacuna. Tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente; o elétron eventualmente se recombina com uma lacuna quando cai de volta na rede. Quando um campo elétrico externo é aplicado, elétrons e lacunas derivam em direções opostas. O aumento de temperatura cria mais portadores, reduzindo a resistência — um comportamento oposto ao dos metais, onde a resistência aumenta com a temperatura devido ao aumento do espalhamento. Em um semicondutor intrínseco, os números de elétrons e lacunas são iguais, mas suas mobilidades diferem.

Impurezas em Semicondutores

Semicondutores puros sozinhos são raramente úteis; primeiro devem ser refinados a um grau muito alto de pureza. Um material com pureza de 1 parte em 10 bilhões pode então ser dopado com impurezas em aproximadamente 1 parte em 10 milhões para aumentar a densidade de portadores. Essa adição intencional de átomos estranhos — chamada dopagem — transforma o cristal em um condutor que rivaliza com metais.

Adicionar um doador de elétrons (dopante tipo N) como fósforo aumenta o número de portadores de carga negativos. Doadores pertencem ao grupo VA (nitrogênio, fósforo, arsênio, antimônio). O fósforo, por exemplo, tem cinco elétrons de valência; ele se liga a quatro átomos de silício e retém um elétron fracamente ligado que se torna livre para mover-se. Com uma concentração de dopagem de 1 ppm (1 parte em 10 milhões), a densidade de elétrons resultante excede em muito a do silício intrínseco, permitindo forte condução na banda de condução.

(a) Configurações de camada externa de fósforo doador tipo N, silício, e boro aceitador tipo P. (b) Impureza doadora tipo N cria um elétron livre. (c) Impureza aceitadora tipo P cria uma lacuna, um portador de carga positivo.

Por outro lado, introduzir um aceitador de elétrons (dopante tipo P) com apenas três elétrons de valência — como boro — cria uma vacância, ou lacuna, na rede. O boro tenta formar quatro ligações covalentes mas só pode fornecer três elétrons, deixando um sítio vazio que age como um portador positivo móvel na banda de valência. Elementos tipo P vêm do grupo IIIA (boro, alumínio, gálio, índio); boro é o dopante padrão para silício e diamante, enquanto índio é usado para germânio.

A analogia "bola-de-gude-em-um-tubo" ilustra como lacunas se movem: um elétron movendo-se da esquerda para a direita deixa um espaço que parece mover-se para a direita. Elétrons em material tipo N derivam para a direita sob um campo elétrico, enquanto lacunas em material tipo P derivam para a direita, correspondendo a elétrons movendo-se para a esquerda.

Analogia bola-de-gude-em-tubo: (a) Elétrons fluem para a direita na banda de condução. (b) Lacunas fluem para a direita na banda de valência.

Em um semicondutor tipo N, portadores majoritários são elétrons livres. Quando uma tensão é aplicada, elétrons entram pelo lado negativo, percorrem a rede e saem pelo lado positivo, formando uma corrente análoga a um fio metálico.

(a) Semicondutor tipo N: elétrons movem-se da esquerda para a direita. (b) Semicondutor tipo P: lacunas movem-se da esquerda para a direita, equivalente a elétrons movendo-se da direita para a esquerda.

Em uma barra tipo P, lacunas são os portadores majoritários. Uma polaridade de bateria invertida faz elétrons saírem da extremidade esquerda para o terminal positivo, criando uma lacuna que se move para a direita. Na extremidade negativa, um elétron da bateria se recombina com uma lacuna, permitindo que outra lacuna entre pela esquerda. O movimento aparente da lacuna é assim impulsionado por elétrons movendo-se opostos ao campo aplicado.

Elementos Usados para Produzir Semicondutores

A figura abaixo resume os principais materiais semicondutores e seus dopantes comuns:

Dopantes tipo P do grupo IIIA, semicondutores base do grupo IVA, e dopantes tipo N do grupo VA.

O silício continua sendo o cavalo de batalha da indústria, respondendo por cerca de 90% da produção comercial. O germânio está largamente obsoleto, enquanto o diamante é uma plataforma de pesquisa emergente. Semicondutores compostos como carbeto de silício (grupo IVA) e arsenieto de gálio (grupo III-V) são amplamente usados em eletrônica de potência e optoeletrônica. A tabela também lista compostos III-VI (AlN, GaN, InN, etc.) e outros materiais II-VI.

• Pureza de semicondutor intrínseco: 1 parte em 10 bilhões → mau condutor.
• Dopagem tipo N: impureza pentavalente → elétrons livres dominam → alta condutividade.
• Dopagem tipo P: impureza trivalente → excesso de lacunas domina → alta condutividade.
• Silício é o elemento predominante; germânio é quase obsoleto; carbono (diamante) é emergente.
• Semicondutores compostos (SiC, GaAs) são amplamente empregados.

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de Condução Elétrica em Semicondutores