Noções básicas de aprendizagem de semicondutores

Nesta postagem, aprendemos de forma abrangente sobre os princípios fundamentais de funcionamento dos dispositivos semicondutores e como a estrutura interna dos semicondutores funciona sob a influência da eletricidade.

O valor de resistividade entre esses materiais semicondutores não tem uma característica de condutor completa nem um isolador completo, está entre esses dois limites.

Esta característica pode definir a propriedade semicondutora do material, porém seria interessante saber como um semicondutor funciona entre um condutor e um isolante.

Resistividade

De acordo com a Lei de Ohm, a resistência elétrica de um dispositivo eletrônico é definida como a razão entre a diferença de potencial através do componente e a corrente que flui através do componente.

Agora, usar a medição de resistência pode representar um problema, seu valor muda conforme a dimensão física do material resistivo muda.

Por exemplo, quando um material resistivo é aumentado em comprimento, seu valor de resistência também aumenta proporcionalmente.
Da mesma forma, quando sua espessura aumenta, seu valor de resistência diminui proporcionalmente.

A necessidade aqui é definir um material que pode indicar uma propriedade de condução ou oposição à corrente elétrica, independentemente de seu tamanho, forma ou aparência física.

A magnitude para expressar este valor de resistência particular é conhecida como Resistividade, que tem o símbolo ρ, (Rho)

A unidade de medida da resistividade é o ohmímetro (Ω.m), e pode ser entendido como um parâmetro inverso da condutividade.

Para obter as comparações entre as resistividades de vários materiais, estes são classificados em 3 categorias principais: Condutores, Isolantes e Semicondutores. O gráfico abaixo fornece os detalhes necessários:

Como você pode ver na figura acima, há uma diferença insignificante na resistividade de condutores como ouro e prata, enquanto pode haver uma diferença significativa na resistividade entre isoladores como quartzo e vidro.

Isso se deve à sua resposta à temperatura ambiente, que torna os metais condutores extremamente eficientes do que os isoladores

Condutores

No gráfico acima, entendemos que os condutores têm a menor quantidade de resistividade, que pode ser normalmente em microohms / metro.

Devido à sua baixa resistividade, a corrente elétrica consegue passar por eles facilmente, devido à disponibilidade de uma grande quantidade de elétrons.

No entanto, esses elétrons podem ser empurrados apenas quando há uma pressão através do condutor, e essa pressão pode ser formada aplicando uma voltagem através do condutor.

Assim, quando um condutor é aplicado com uma diferença de potencial positiva / negativa, os elétrons livres de cada átomo do condutor são forçados a se desalojar de seus átomos pais e começam a derivar dentro do condutor, e geralmente é conhecido como fluxo de corrente .

O grau em que esses elétrons são capazes de se mover depende da facilidade com que podem ser libertados de seus átomos, em resposta a uma diferença de voltagem.

Os metais são geralmente considerados bons condutores de eletricidade e, entre os metais, ouro, prata, cobre e alumínio são os melhores condutores ordenados.

Uma vez que esses condutores têm poucos elétrons na banda de valência de seus átomos, eles são facilmente desalojados por uma diferença de potencial e começam a saltar de um átomo para o próximo através de um processo chamado 'Efeito Dominó', resultando em um fluxo de corrente através o condutor.

Embora o ouro e a prata sejam os melhores condutores de eletricidade, o cobre e o alumínio são os preferidos para a confecção de fios e cabos devido ao seu baixo custo e abundância, além de sua robustez física.

Apesar de o cobre e o alumínio serem bons condutores de eletricidade, eles ainda apresentam alguma resistência, pois nada pode ser 100% ideal.

Embora pequena, a resistência oferecida por esses condutores pode ser significativa com a aplicação de correntes mais altas. Eventualmente, a resistência a correntes mais altas nesses condutores é dissipada como calor.

Isolantes

Ao contrário dos condutores, os isolantes são maus condutores de eletricidade. Eles geralmente estão na forma de não metais e têm muito poucos elétrons vulneráveis ​​ou livres com seus átomos-mãe.

O que significa que os elétrons desses não-metais estão fortemente ligados a seus átomos pais, que são extremamente difíceis de desalojar com a aplicação de voltagem.

Devido a esta característica, quando a voltagem elétrica é aplicada, os elétrons não conseguem se mover para longe dos átomos, resultando em nenhum fluxo de elétrons e, portanto, nenhuma condução ocorre.

Essa propriedade leva a um valor de resistência muito alto ao isolador, da ordem de muitos milhões de Ohms.

Materiais como vidro, mármore, PVC, plásticos, quartzo, borracha, mica, baquelite são exemplos de bons isolantes.

Assim como o condutor, os isoladores também desempenham um papel importante no campo da eletrônica. Sem isolador, seria impossível isolar as diferenças de tensão entre os estágios do circuito, levando a curtos-circuitos.

Por exemplo, vemos o uso de porcelana e vidro em torres de alta tensão para transmitir energia CA com segurança pelos cabos. Em fios, usamos PVC para isolar terminais positivos e negativos, e em PCBs usamos baquelite para isolar faixas de cobre umas das outras.

Noções básicas de semicondutores

Materiais como silício (Si), germânio (Ge) e arseneto de gálio vêm sob os materiais semicondutores básicos. É porque esses materiais têm a característica de conduzir eletricidade de forma intermediária, não originando nem condução adequada, nem isolamento adequado. Devido a essa propriedade, esses materiais são denominados semicondutores.

Esses materiais exibem muito poucos elétrons livres em seus átomos, que estão agrupados em um tipo de formação de rede cristalina. Ainda assim, os elétrons são capazes de se desalojar e fluir, mas apenas quando condições específicas são empregadas.

Dito isso, torna-se possível aumentar a taxa de condução nesses semicondutores, introduzindo ou substituindo algum tipo de átomos 'doadores' ou 'aceitadores' no layout cristalino, permitindo a liberação de 'elétrons livres' extras e 'buracos' ou vice versa.

Isso é implementado através da introdução de uma certa quantidade de um material externo ao material existente, como silício ou germânio.

Por si só, materiais como silício e germânio são categorizados como semicondutores intrínsecos, devido à sua natureza química extremamente pura e à presença de material semicondutor completo.

Isso também significa que, aplicando uma quantidade controlada de impureza neles, podemos determinar a taxa de condução desses materiais intrínsecos.

Podemos introduzir tipos de impurezas denominadas doadores ou aceitadores para esses materiais para aumentá-los com elétrons livres ou buracos livres.

Nestes processos, quando uma impureza é adicionada a um material intrínseco na proporção de 1 átomo de impureza por 10 milhões de átomos de material semicondutor, é denominado como Doping .

Com a introdução de impureza suficiente, um material semicondutor pode ser transformado em um material tipo N ou tipo P.

O silício está entre o material semicondutor mais popular, tendo 4 elétrons de valência em sua camada mais externa e também cercado por átomos adjacentes formando uma órbita total de 8 elétrons.

A ligação entre os dois átomos de silício é desenvolvida de tal forma que permite o compartilhamento de um elétron com o átomo adjacente, levando a uma boa ligação estável.

Na sua forma pura, um cristal de silício pode ter pouquíssimos elétrons de valência livres, o que lhe atribui as propriedades de um bom isolante, tendo valores de resistência extremos.

Conectar um material de silício a uma diferença de potencial não ajudará em nenhuma condução através dele, a menos que algum tipo de polaridade positiva ou negativa seja criada nele.

E para criar tais polaridades, o processo de doping é implementado nesses materiais adicionando impurezas conforme discutido nos parágrafos anteriores.

Compreendendo a estrutura do átomo de silício

Nas imagens acima, vemos como é a estrutura de uma rede de cristal de silício puro regular. Para as impurezas, normalmente materiais como Arsênio, Antimônio ou Fósforo são introduzidos nos cristais semicondutores transformando-os em extrínsecos, significando 'possuidores de impurezas'.

As impurezas mencionadas são compostas por 5 elétrons em sua banda mais externa conhecida como impureza 'Pentavalente', para serem compartilhados com seus átomos adjacentes.
Isso garante que 4 entre os 5 átomos sejam capazes de se juntar aos átomos de silício adjacentes, excluindo um único 'elétron livre' que pode ser liberado quando uma tensão elétrica é conectada.

Nesse processo, como os átomos impuros começam a 'doar' ​​cada elétron através de seu átomo próximo, os átomos 'pentavalentes' são chamados de 'doadores'.

Uso de antimônio para doping

Antimônio (Sb) e Fósforo (P) freqüentemente se tornam a melhor escolha para a introdução de impurezas 'Pentavalentes' no silício.

No Antimônio, 51 elétrons são configurados em 5 camadas ao redor de seu núcleo, enquanto sua banda mais externa consiste em 5 elétrons.
Devido a isso, o material semicondutor básico é capaz de adquirir elétrons portadores de corrente adicionais, cada um atribuído com uma carga negativa. Portanto, é denominado 'material do tipo N'.

Além disso, os elétrons são nomeados como 'Portadores da maioria' e os buracos que se desenvolvem subsequentemente são chamados de 'Portadores da minoria'.

Quando um semicondutor dopado com antimônio é submetido a um potencial elétrico, os elétrons que são eliminados são instantaneamente substituídos pelos elétrons livres dos átomos de antimônio. No entanto, como o processo eventualmente mantém um elétron livre flutuando dentro do cristal dopado, isso faz com que seja um material carregado negativamente.

Nesse caso, um semicondutor pode ser denominado tipo N se tiver densidade doadora maior do que sua densidade aceitadora. Ou seja, quando há maior número de elétrons livres em relação ao número de lacunas, causando uma polarização negativa, conforme indicado abaixo.

Compreendendo o semicondutor P-Type

Se considerarmos a situação inversamente, introduzir uma impureza 'Trivalente' de 3 elétrons em um cristal semicondutor, por exemplo, se introduzirmos alumínio, boro ou índio, que contêm 3 elétrons em sua ligação de valência, portanto, uma 4ª ligação torna-se impossível de se formar.

Por causa disso, uma conexão completa se torna difícil, permitindo que o semicondutor tenha muitas portadoras carregadas positivamente. Esses portadores são chamados de 'buracos' em toda a rede de semicondutores, devido a uma grande quantidade de elétrons ausentes.

Agora, devido à presença de buracos no cristal de silício, um elétron próximo é atraído para o buraco, tentando preencher o slot. No entanto, assim que o elétron tenta fazer isso, ele sai de sua posição criando um novo buraco em sua posição anterior.

Isso, por sua vez, atrai o próximo elétron próximo, que novamente deixa um novo buraco enquanto tenta ocupar o próximo buraco. O processo continua dando a impressão de que na verdade os buracos estão se movendo ou fluindo pelo semicondutor, que geralmente reconhecemos como o padrão de fluxo convencional da corrente.

À medida que os 'buracos parecem se mover', ocorre uma escassez de elétrons, permitindo que todo o cristal dopado adquira uma polaridade positiva.

Como cada átomo de impureza passa a ser responsável por gerar um buraco, essas impurezas trivalentes são chamadas de 'Aceitadores' por continuarem aceitando elétrons livres continuamente no processo.
O boro (B) é um dos aditivos trivalentes que é popularmente usado para o processo de dopagem explicado acima.

Quando o boro é usado como um material dopante, ele faz com que a condução tenha principalmente portadores carregados positivamente.
Isso resulta na criação de material do tipo P com buracos positivos chamados de 'portadores majoritários', enquanto os elétrons livres são chamados de 'portadores minoritários'.

Isso explica como um material de base semicondutor se transforma em um tipo P devido ao aumento da densidade de seus átomos aceitadores em comparação com os átomos doadores.

Como o boro é usado para doping

Resumindo os fundamentos dos semicondutores

Semicondutor tipo N (dopado com uma impureza pentavalente, como antimônio, por exemplo)

Esses semicondutores que são dopados com átomos de impureza pentavalente são denominados doadores, uma vez que apresentam condução através do movimento dos elétrons e, portanto, são denominados semicondutores do tipo N.
No semicondutor do tipo N, encontramos:

1. Doadores carregados positivamente
2. Número abundante de elétrons livres
3. Número relativamente menor de 'buracos' em comparação com os 'elétrons livres'
4. Como resultado do doping, doadores com carga positiva e elétrons livres com carga negativa são criados.
5. A aplicação de uma diferença de potencial resulta no desenvolvimento de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente.

Semicondutor tipo P (dopado com uma impureza trivalente, como boro, por exemplo)

Esses semicondutores que são dopados com átomos de impureza trivalente são denominados aceitadores, uma vez que mostram condução através do movimento dos orifícios e, portanto, são denominados semicondutores do tipo P.
No semicondutor do tipo N, encontramos:

1. Aceitadores com carga negativa
2. Quantidade abundante de buracos
3. Número relativamente menor de elétrons livres em comparação com a presença de lacunas.
4. O doping resulta na criação de aceitadores carregados negativamente e orifícios carregados positivamente.
5. A aplicação de um campo de tensão causa a geração de buracos com carga positiva e elétrons livres com carga negativa.

Por si só, os semicondutores do tipo P e N são eletricamente neutros, naturalmente.
Comumente, Antimônio (Sb) e Boro (B) são os dois materiais empregados como membros dopantes devido à sua disponibilidade abundante. Eles também são chamados de 'metaloides'.

Dito isso, se você olhar a tabela periódica, encontrará muitos outros materiais semelhantes com 3 ou 5 elétrons em sua banda atômica mais externa. Implica que esses materiais também podem se tornar adequados para fins de dopagem.
Tabela periódica