Doping em semicondutores
Silício puro ou germânio raramente são usados como semicondutores. Semicondutores utilizáveis na prática devem ter quantidade controlada de impurezas adicionadas a eles. A adição de impurezas mudará a capacidade do condutor e ele atua como um semicondutor. O processo de adição de uma impureza a um material intrínseco ou puro é chamadodoping e a impureza é chamada de dopant. Após a dopagem, um material intrínseco se torna um material extrínseco. Praticamente somente após a dopagem, esses materiais se tornam utilizáveis.
Quando uma impureza é adicionada ao silício ou germânio sem modificar a estrutura do cristal, um material do tipo N é produzido. Em alguns átomos, os elétrons têm cinco elétrons em sua banda de valência, como arsênio (As) e antimônio (Sb). A dopagem do silício com qualquer impureza não deve alterar a estrutura do cristal ou o processo de ligação. O elétron extra do átomo de impureza não participa de uma ligação covalente. Esses elétrons são fracamente mantidos juntos por seus átomos originadores. A figura a seguir mostra a alteração do cristal de silício com a adição de um átomo de impureza.
Efeito da dopagem em material tipo N
O efeito da dopagem em um material tipo N é o seguinte -
Com a adição de arsênico ao silício puro, o cristal se torna um material do tipo N.
O átomo de arsênio tem elétrons adicionais ou cargas negativas que não participam do processo de ligação covalente.
Essas impurezas cedem ou doam um elétron ao cristal e são chamadas de impurezas doadoras.
Um material do tipo N tem elétrons extras ou livres do que um material intrínseco.
Um material do tipo N não tem carga negativa. Na verdade, todos os seus átomos são eletricamente neutros.
Esses elétrons extras não participam do processo de ligação covalente. Eles são livres para se mover através da estrutura cristalina.
Um cristal de silício extrínseco tipo N entrará em condução com apenas 0,005eV de energia aplicada.
Apenas 0,7eV é necessário para mover os elétrons do cristal intrínseco da banda de valência para a banda de condução.
Normalmente, os elétrons são considerados os portadores de corrente majoritários neste tipo de cristal e os buracos são os portadores de corrente minoritários. A quantidade de material doador adicionado ao Silício descobre o número de portadores majoritários atuais em sua estrutura.
O número de elétrons em um silício do tipo N é muitas vezes maior do que os pares elétron-buraco do silício intrínseco. À temperatura ambiente, há uma diferença firme na condutividade elétrica deste material. Existem portadores de corrente abundantes para fazer parte do fluxo atual. O fluxo de corrente é obtido principalmente por elétrons neste tipo de material. Portanto, um material extrínseco se torna um bom condutor elétrico.
Efeito da dopagem no material tipo P
O efeito do doping em um material tipo P é o seguinte -
Quando índio (In) ou Gálio (Ga) é adicionado ao silício puro, um material do tipo P é formado.
Este tipo de material dopante possui três elétrons de valência. Eles estão procurando ansiosamente por um quarto elétron.
No material do tipo P, cada buraco pode ser preenchido com um elétron. Para preencher esta área do buraco, muito menos energia é necessária para os elétrons dos grupos ligados covalentes vizinhos.
O silício é tipicamente dopado com material dopante na faixa de 1 a 106. Isso significa que o material P terá muito mais buracos do que os pares elétron-buraco de silício puro.
À temperatura ambiente, há uma diferença característica muito determinada na condutividade elétrica deste material.
A figura a seguir mostra como a estrutura cristalina do silício é alterada quando dopada com um elemento aceitador - neste caso, o índio. Um pedaço de material P não é carregado positivamente. Seus átomos são principalmente eletricamente neutros.
Existem, no entanto, lacunas na estrutura covalente de muitos grupos de átomos. Quando um elétron se move e preenche um buraco, o buraco fica vazio. Um novo buraco é criado no grupo ligado onde o elétron saiu. O movimento do buraco em vigor é o resultado do movimento do elétron. Um material do tipo P entrará em condução com apenas 0,05 eV de energia aplicada.
A figura acima mostra como um cristal do tipo P responderá quando conectado a uma fonte de tensão. Observe que há um número maior de buracos do que elétrons. Com a tensão aplicada, os elétrons são atraídos para o terminal positivo da bateria.
Os orifícios se movem, de certa forma, em direção ao terminal negativo da bateria. Um elétron é captado neste ponto. O elétron imediatamente preenche uma lacuna. O buraco então se torna vazio. Ao mesmo tempo, um elétron é retirado do material pelo terminal positivo da bateria. Os buracos, portanto, se movem em direção ao terminal negativo devido ao deslocamento de elétrons entre diferentes grupos ligados. Com a energia aplicada, o fluxo do orifício é contínuo.