Noções básicas de aprendizado de semicondutores

Neste post, aprendemos extensivamente sobre os princípios operacionais fundamentais dos dispositivos semicondutores e como a estrutura interna dos semicondutores funciona sob a influência da eletricidade.

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

Essa característica pode definir a propriedade de semicondutor do material, no entanto, seria interessante saber como um semicondutor funciona entre um condutor e um isolador.

Resistividade

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

Agora, o uso da medição de resistência pode representar um problema, seu valor muda à medida que a dimensão física do material resistivo muda.


Por exemplo, quando um material resistivo aumenta de 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 possa indicar uma propriedade condutora ou oposição à corrente elétrica, independentemente de seu tamanho, forma ou aparência física.

A magnitude para expressar esse valor de resistência específico é conhecida como resistividade, que possui o símbolo ρ, (Rho)

A unidade de medida da resistividade é Ohm-metro (Ω.m) e pode ser entendida como um parâmetro de condutividade inversa.

Para obter comparações entre as resistividades de vários materiais, eles são classificados em três categorias principais: condutores, isoladores e semicondutores. A tabela 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 quantidade significativa de diferença na resistividade em isoladores como quartzo e vidro.

Isto é devido à sua resposta à temperatura ambiente, o que torna os metais condutores muito eficientes que os isoladores.

Condutores


Na tabela acima, entendemos que os condutores têm a menor quantidade de resistividade, que normalmente pode estar em microohms / metro.

Devido à sua baixa resistividade, a corrente elétrica pode passar através deles com facilidade, devido à disponibilidade de um grande número de elétrons.

No entanto, esses elétrons podem ser pressionados apenas quando há uma pressão no condutor, e essa pressão pode ser formada pela aplicação de uma tensão no condutor.

Portanto, quando um condutor é aplicado com uma diferença de potencial positiva / negativa, os elétrons livres de cada átomo no condutor são forçados a se desalojar de seus átomos principais e começam a se mover dentro do condutor, e é geralmente conhecido como corrente .

O grau em que esses elétrons podem se mover depende da facilidade com que eles podem ser liberados de seus átomos, em resposta a uma diferença de tensão.

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

Como esses condutores possuem muito poucos elétrons na banda de valência de seus átomos, eles são facilmente deslocados por uma diferença de potencial e começam a pular de um átomo para o outro através de um processo chamado “efeito dominó”, resultando em uma fluxo de corrente através do condutor.

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

Apesar do cobre e do alumínio serem bons condutores de eletricidade, eles ainda têm alguma resistência, porque nada pode ser 100% ideal.

Embora pequena, a resistência oferecida por esses condutores pode ser significativa com a aplicação de correntes mais altas. Finalmente, a resistência a uma corrente mais alta nesses condutores se dissipa como calor.

Isoladores

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

Significando que os elétrons nesses não-metais estão fortemente ligados aos seus átomos principais, que são extremamente difíceis de desalojar com a aplicação de tensão.


Devido a essa característica, quando a tensão elétrica é aplicada, os elétrons não se afastam dos átomos, o que não produz fluxo de elétrons e, portanto, a condução não ocorre.

Essa propriedade leva a um valor de resistência de isolamento muito alto, 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 o isolador, seria impossível isolar as diferenças de tensão nos estágios do circuito, o que causaria curtos-circuitos.

Por exemplo, vemos o uso de porcelana e vidro em postes de energia para transmitir com segurança a energia CA através de cabos. Nos cabos, usamos PVC para isolar terminais positivos e negativos, e nos PCB usamos baquelita para isolar os trilhos de cobre um do outro.

Noções básicas de semicondutores

Materiais como silício (Si), germânio (Ge) e arseneto de gálio são encontrados em materiais semicondutores básicos. Isso ocorre porque esses materiais têm a característica de conduzir eletricidade de maneira intermediária, o que não leva a condução adequada ou isolamento adequado. Devido a essa propriedade, esses materiais são chamados de semicondutores.

Esses materiais exibem muito poucos elétrons livres através de seus átomos, que são firmemente empacotados em um tipo de formação de treliça de cristal. Ainda assim, os elétrons podem desalojar e fluir, mas somente quando condições específicas são usadas.

Dito isto, é possível melhorar a velocidade de condução nesses semicondutores introduzindo ou substituindo algum tipo de átomo “doador” ou “aceitador” no design cristalino, permitindo a liberação de “elétrons livres” e “orifícios” adicionais ou vice-versa, vice-versa

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

Por si mesmos, materiais como silício e germânio são classificados como semicondutores intrínsecos, devido à sua natureza química pura extrema e à presença de material semicondutor completo.

Isso também significa que, aplicando uma quantidade controlada de impurezas a elas, podemos determinar a velocidade de condução nesses materiais intrínsecos.

Podemos introduzir tipos de impurezas conhecidas como doadoras ou aceitadoras desses materiais para melhorá-las com elétrons ou orifícios livres.

Nesses 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 denominada Doping.

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

O silício está entre os materiais semicondutores mais populares, possui 4 elétrons de valência em sua camada mais externa e também é cercado por átomos adjacentes que formam uma órbita total de 8 elétrons.

A ligação entre os dois átomos de silício se desenvolve de tal maneira que um elétron pode ser compartilhado com seu átomo vizinho, levando a uma boa ligação estável.

Na sua forma pura, um cristal de silício pode ter muito poucos elétrons de valência livre, atribuindo a ele as propriedades de um bom isolante, com valores extremos de resistência.

Conectar um material de silicone a uma diferença de potencial não ajudará em nenhuma condução, a menos que seja criado algum tipo de polaridade positiva ou negativa.

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

Compreender a estrutura do átomo de silício

imagem de treliça de cristal de silício

átomo de silício mostrando 4 elétrons em sua órbita de valência

Nas imagens acima, vemos como é a estrutura de uma estrutura de cristal de silício puro normal. Para a impureza, materiais como arsênico, antimônio ou fósforo são normalmente introduzidos nos cristais semicondutores, tornando-os extrínsecos, o que significa “possuir impurezas”.

As impurezas mencionadas são compostas de 5 elétrons em sua banda mais externa conhecida como impureza “pentavalente”, para compartilhar com seus átomos adjacentes.
Isso garante que 4 dos 5 átomos possam se ligar 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”.

Usando antimônio para doping

Antimônio (Sb) e fósforo (P) freqüentemente se tornam a melhor opção para introduzir impurezas “pentavalentes” no silício.Tipo semicondutor Nátomo de antimônio mostrando 5 elétrons em sua órbita de valência

No Antimônio, 51 elétrons são configurados em 5 camadas ao redor de seu núcleo, enquanto sua banda mais externa consiste em 5 elétrons.
Por esse motivo, o material semicondutor básico pode adquirir elétrons carregadores de corrente adicionais, cada um atribuído a uma carga negativa. É por isso que é chamado de “material do tipo N”.

Além disso, os elétrons são chamados de “portadores majoritários” e os buracos que se desenvolvem posteriormente são chamados “portadores minoritários”.

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

Nesse caso, um semicondutor pode ser chamado de tipo N se tiver uma densidade de doadores maior que sua densidade de aceitadores. Ou seja, quando há um número maior de elétrons livres em comparação com o número de orifícios, o que causa uma polarização negativa, conforme indicado abaixo.

Entendendo o semicondutor do tipo P

Se considerarmos a situação ao contrário, a introdução de 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, um o quarto elo se torna impossível de se formar.

Por causa disso, uma conexão completa se torna difícil, permitindo que o semicondutor tenha muitas transportadoras com carga positiva. Essas portadoras são chamadas de “buracos” em toda a rede de semicondutores, devido ao grande número de elétrons ausentes.

Agora, devido à presença de orifícios no cristal de silício, um elétron próximo é atraído para o orifício, tentando preencher a fenda. No entanto, assim que os elétrons tentam fazer isso, ele deixa sua posição criando um novo buraco na sua posição anterior.

Por sua vez, isso atrai o próximo elétron próximo, que novamente deixa um novo buraco ao tentar ocupar o próximo buraco. O processo continua a dar a impressão de que os furos estão realmente se movendo ou fluindo através do semicondutor, que geralmente reconhecemos como o padrão de fluxo de corrente convencional.

Como os “buracos parecem se mover”, resulta em uma escassez de elétrons que permite que todo o cristal dopado adquira uma polaridade positiva.

Como cada átomo de impureza é responsável por gerar um buraco, essas impurezas trivalentes são chamadas de “aceitadoras” devido ao fato de continuarem a aceitar 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 material dopante, faz com que a condução tenha transportadores carregados positivamente.
Isso resulta na criação de material do tipo P que possui orifícios positivos chamados “portadores majoritários”, enquanto elétrons livres são chamados “portadores minoritários”.

Isso explica como um material base semicondutor se torna um tipo P devido a uma densidade mais alta de seus átomos aceitadores em comparação aos átomos doadores.

Como o boro é usado para o doping

semicondutor do tipo p

Átomo de boro mostrando 3 elétrons em sua ligação de valência externa

Resumindo os fundamentos dos semicondutores

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

Tais semicondutores dopados com átomos de impureza pentavalentes são chamados doadores, pois mostram condução pelo movimento de elétrons e, portanto, são chamados de semicondutores do tipo N.
No Semicondutor do tipo N, encontramos:

  1. Doadores com carga positiva
  2. Quantidade abundante de elétrons livres
  3. Relativamente menos “buracos” em comparação com “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 com carga negativa e orifícios com carga positiva.

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

Tais semicondutores dopados com átomos de impureza trivalentes são chamados aceitadores, pois mostram condução através do movimento de orifícios e, portanto, são chamados de semicondutores do tipo P.
No Semicondutor do tipo N, encontramos:

  1. Aceitadores com cobrança negativa
  2. Quantidade abundante de furos
  3. Número relativamente menor de elétrons livres em comparação com a presença de orifícios.
  4. O doping resulta na criação de aceitadores com carga negativa e furos com carga positiva.
  5. A aplicação da tensão exibida causa a geração de orifícios com carga positiva e elétrons livres com carga negativa.

Por si mesmos, os semicondutores do tipo P e N são eletricamente neutros, naturalmente.
Geralmente, o antimônio (Sb) e o boro (B) são os dois materiais usados ​​como membros dopantes devido à sua disponibilidade abundante. Estes também são chamados “metaloides”.

Dito isto, se você olhar para a tabela periódica, encontrará muitos outros materiais semelhantes que têm 3 ou 5 elétrons em sua faixa atômica mais externa. Isso implica que esses materiais também podem ser adequados para o efeito de dopagem.
Tabela periódicatabela periódica para semicondutores



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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