Semicondutor extrínseco - Extrinsic semiconductor

Um semicondutor extrínseco é aquele que foi dopado ; durante a fabricação do cristal semicondutor, um oligoelemento ou produto químico denominado agente dopante foi incorporado quimicamente ao cristal, com o objetivo de conferir-lhe propriedades elétricas diferentes das do cristal semicondutor puro, denominado semicondutor intrínseco . Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos dopantes estranhos na estrutura do cristal que fornecem principalmente os portadores de carga que conduzem a corrente elétrica através do cristal. Os agentes dopantes usados ​​são de dois tipos, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Um dopante doador de elétrons é um átomo que, quando incorporado ao cristal, libera um elétron de condução móvel na estrutura do cristal. Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Um dopante aceptor de elétrons é um átomo que aceita um elétron da rede, criando uma vaga onde um elétron deveria ser chamado de um buraco que pode se mover através do cristal como uma partícula carregada positivamente. Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos aceitadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios positivos.

O doping é a chave para a gama extraordinariamente ampla de comportamento elétrico que os semicondutores podem exibir, e os semicondutores extrínsecos são usados ​​para fazer dispositivos eletrônicos semicondutores , como diodos , transistores , circuitos integrados , lasers semicondutores , LEDs e células fotovoltaicas . Processos sofisticados de fabricação de semicondutores , como a fotolitografia, podem implantar diferentes elementos dopantes em diferentes regiões da mesma pastilha de cristal semicondutor, criando dispositivos semicondutores na superfície da pastilha. Por exemplo, um tipo comum de transistor, o transistor bipolar npn , consiste em um cristal semicondutor extrínseco com duas regiões de semicondutor tipo n, separadas por uma região de semicondutor tipo p, com contatos de metal ligados a cada parte.

Condução em semicondutores

Uma substância sólida pode conduzir corrente elétrica apenas se contiver partículas carregadas, elétrons , que podem se mover livremente e não estão presas a átomos. Em um condutor de metal , são os átomos de metal que fornecem os elétrons; normalmente, cada átomo de metal libera um de seus elétrons orbitais externos para se tornar um elétron de condução que pode se mover através do cristal e transportar corrente elétrica. Portanto, o número de elétrons de condução em um metal é igual ao número de átomos, um número muito grande, tornando os metais bons condutores.

Ao contrário dos metais, os átomos que compõem o cristal semicondutor não fornecem os elétrons responsáveis ​​pela condução. Em semicondutores, a condução elétrica é devida aos portadores de carga móveis , elétrons ou buracos que são fornecidos por impurezas ou átomos dopantes no cristal. Em um semicondutor extrínseco, a concentração de átomos de dopagem no cristal determina em grande parte a densidade dos portadores de carga, que determina sua condutividade elétrica , bem como muitas outras propriedades elétricas. Esta é a chave para a versatilidade dos semicondutores; sua condutividade pode ser manipulada em muitas ordens de magnitude por dopagem.

Dopagem de semicondutor

Dopagem de semicondutor é o processo que transforma um semicondutor intrínseco em um semicondutor extrínseco. Durante a dopagem, átomos de impureza são introduzidos em um semicondutor intrínseco. Os átomos de impureza são átomos de um elemento diferente dos átomos do semicondutor intrínseco. Os átomos de impureza agem como doadores ou aceitadores do semicondutor intrínseco, alterando as concentrações de elétrons e lacunas do semicondutor. Os átomos de impureza são classificados como átomos doadores ou aceitadores com base no efeito que têm no semicondutor intrínseco.

Os átomos de impureza doadores têm mais elétrons de valência do que os átomos que substituem na rede semicondutora intrínseca. As impurezas doadoras "doam" seus elétrons de valência extras para a banda de condução de um semicondutor, fornecendo elétrons em excesso ao semicondutor intrínseco. O excesso de elétrons aumenta a concentração de portadores de elétrons (n 0 ) do semicondutor, tornando-o do tipo n.

Os átomos de impureza aceitadores têm menos elétrons de valência do que os átomos que substituem na rede semicondutora intrínseca. Eles "aceitam" elétrons da banda de valência do semicondutor. Isso fornece buracos em excesso para o semicondutor intrínseco. O excesso de orifícios aumenta a concentração de portadores de orifícios (p 0 ) do semicondutor, criando um semicondutor do tipo p.

Semicondutores e átomos dopantes são definidos pela coluna da tabela periódica em que se inserem. A definição da coluna do semicondutor determina quantos elétrons de valência seus átomos têm e se os átomos dopantes atuam como doadores ou aceitadores do semicondutor.

Grupo IV semicondutores usar Grupo V átomos como doadores e grupo III átomos como aceitadores.

Os semicondutores do grupo III-V , os semicondutores compostos , usam átomos do grupo VI como doadores e átomos do grupo II como aceitadores. Os semicondutores do grupo III-V também podem usar átomos do grupo IV como doadores ou aceitadores. Quando um átomo do grupo IV substitui o elemento do grupo III na rede semicondutora, o átomo do grupo IV atua como um doador. Por outro lado, quando um átomo do grupo IV substitui o elemento do grupo V, o átomo do grupo IV atua como um aceitador. Os átomos do grupo IV podem atuar como doadores e aceitadores; portanto, eles são conhecidos como impurezas anfotéricas .

Semicondutor intrínseco Átomos doadores (semicondutor tipo n) Átomos aceitadores (semicondutor tipo p)
Semicondutores do grupo IV Silício , Germânio Fósforo , arsênico , antimônio Boro , Alumínio , Gálio
Semicondutores do Grupo III-V Fosforeto de alumínio , arseneto de alumínio , arseneto de gálio , nitreto de gálio Selênio , telúrio , silício , germânio Berílio , zinco , cádmio , silício , germânio

Os dois tipos de semicondutor

Semicondutores tipo N

Estrutura de banda de um semicondutor tipo n. As olheiras na banda de condução são elétrons e as olheiras na banda de valência são buracos. A imagem mostra que os elétrons são os principais portadores de carga.

Semicondutores do tipo N são criados dopando um semicondutor intrínseco com um elemento doador de elétrons durante a fabricação. O termo tipo n vem da carga negativa do elétron. Em semicondutores do tipo n, os elétrons são os portadores majoritários e os buracos são os portadores minoritários . Um dopante comum para o silício tipo n é o fósforo ou arsênico . Em um semicondutor do tipo n, o nível de Fermi é maior que o do semicondutor intrínseco e fica mais próximo da banda de condução do que da banda de valência .

Exemplos: fósforo , arsênio , antimônio , etc.

Semicondutores tipo P

Estrutura de banda de um semicondutor do tipo p. As olheiras na banda de condução são elétrons e as olheiras na banda de valência são buracos. A imagem mostra que os furos são os principais portadores de carga

Semicondutores do tipo P são criados dopando um semicondutor intrínseco com um elemento aceitador de elétrons durante a fabricação. O termo tipo p refere - se à carga positiva de um buraco. Ao contrário dos semicondutores do tipo n, os semicondutores do tipo p têm uma concentração de orifícios maior do que a concentração de elétrons. Em semicondutores do tipo p, os buracos são os portadores majoritários e os elétrons são os portadores minoritários. Um dopante tipo p comum para o silício é o boro ou o gálio . Para semicondutores do tipo p, o nível de Fermi está abaixo do semicondutor intrínseco e fica mais próximo da banda de valência do que da banda de condução.

Exemplos: boro , alumínio , gálio , etc.

Uso de semicondutores extrínsecos

Semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns. Um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro. Atualmente, a maioria dos diodos semicondutores usa silício ou germânio dopado.

Os transistores (dispositivos que permitem a comutação de corrente) também fazem uso de semicondutores extrínsecos. Os transistores de junção bipolar (BJT), que amplificam a corrente, são um tipo de transistor. Os BJTs mais comuns são do tipo NPN e PNP. Os transistores NPN têm duas camadas de semicondutores do tipo n ensanduichando um semicondutor do tipo p. Os transistores PNP têm duas camadas de semicondutores do tipo p, ensanduichando um semicondutor do tipo n.

Transistores de efeito de campo (FET) são outro tipo de transistor que amplifica semicondutores extrínsecos de implementação de corrente. Ao contrário dos BJTs, eles são chamados de unipolares porque envolvem operação do tipo portadora única - canal N ou canal P. Os FETs são divididos em duas famílias, FET de porta de junção (JFET), que são três semicondutores terminais, e FET de porta isolada ( IGFET ), que são quatro semicondutores terminais.

Outros dispositivos que implementam o semicondutor extrínseco:

Veja também

Referências

  • Neamen, Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles (3rd ed.) . McGraw-Hill Higher Education. ISBN   0-07-232107-5 .

links externos