O silício e o germânio são os semicondutores usados na construção de dispositivos eletrônicos (diodos, transistores, circuitos integrados etc.). O germânio praticamente não é mais usado na construção de dispositivos semicondutores, devido a sensibilidade à temperatura. Por isso, quando falarmos de semicondutores, estaremos falando do silício.
Ligação Covalente
Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons na camada de valência, só que para formar o sólido o átomo precisa de oito elétrons na camada de valência. para obter os oito elétrons na camada de valência, os átomos se associam numa ligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente, os átomos compartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemos na figura abaixo.
Na ligação covalente, cada átomo compartilha um elétron com o átomo vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétrons emprestados, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência, adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétrons compartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central, Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatro elétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, eletricamente neutro.
Os átomos de silício se distribuem no sólido formando uma estrutura cúbica, onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica é normalmente chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólido de silício é um cristal de silício.
Elétron Livre
O que mantém os elétrons presos aos seus respectivos átomos, é a força de atração exercida pelo núcleo, associado ao movimento circular do elétron em torno do núcleo. Sabe-se que associado a todo movimento circular, atua a força centrífuga, que puxa o corpo para fora do centro do movimento. No caso dos elétrons, ocorre que a força centrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo e os prótons os puxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém os elétrons ligados aos átomos. Tendo isto em vista, podemos concluir que a força de atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que a força que atua nos elétrons das primeiras camadas.
Se um elétron da camada de valência receber energia externa como luz calor etc... e esta for maior que a força de atração exercida pelo núcleo, o elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência, chamada de banda de condução. Uma vez na banda de condução, o elétron está livre para se deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron livre. Ao ir para a banda de condução, o elétron deixa um vazio que nós chamamos de lacuna.
Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Esta quebra produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livre vagando pelo cristal, pode passar perto de uma lacuna e ser atraído pela mesma, neste caso houve uma recombinação.
Sendo o corrente elétrico o movimento de elétrons livres, o silício é um isolante perfeito a uma temperatura de -273ºc, porque a esta temperatura não existe nenhum elétron livre. a medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a quebra de ligações covalentes, assim como recombinações. A temperatura ambiente de 25ºc, um cristal de silício puro possui uma quantidade de par elétron-lacuna mais ou menos estável, devido as constantes quebras de ligações covalentes produzidas termicamente, assim como recombinações.
Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamos observar algo interessante, existem dois trajetos para os elétrons se movimentarem dentro do cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas, uma de elétrons livres e a outra de elétrons de valência. Os elétrons livres irão se deslocar de um lado para outro do cristal através da banda de condução, os elétrons de valência se deslocarão de um lado para outro do cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra.
Cristal de silício puro
Corrente de elétrons livres e de lacunas
O elétron livre mostrado dentro do cristal será atraído pelo terminal positivo da fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de condução, como indica a seta. Esta corrente de elétrons livres é de mesma natureza que a corrente que se estabelece nos materiais condutores . Observe agora a lacuna mostrada na figura acima. O elétron do ponto 1 pode ser atraído pela lacuna, se isso ocorrer, a lacuna na extremidade deixará de existir e onde estava o elétron no ponto 1, agora terá uma lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, onde passará a estar a lacuna. Se continuarmoseste raciocínio, como mostram as setas, veremos que os elétrons estão se deslocando em direção ao terminal positivo e a lacuna em direção ao terminal negativo. Ao saírem pela extremidade do cristal, tanto elétron livre como elétron de valência, se tornam elétrons livres, seguem em direção ao terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo da mesma, entram na extremidade oposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como elétrons livres, outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de valência. O movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto como o movimento de lacunas em sentido contrário .
Cristal de silício puro
Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o que diferencia os semicondutores dos condutores. Num condutor só existe corrente de elétrons livres. A corrente de lacunas nos semicondutores é apenas uma analogia, porque quem se movimenta na verdade são os elétrons de valência, tenha isso sempre em mente.
Na prática, não tem como medir a corrente de elétrons livres e de lacunas de forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos semicondutores na construção de dispositivos eletrônicos se deu, em grande parte, por esta característica.
Semicondutores Intrínsecos
É o nome dado a todo semicondutor puro. Um cristal de silício é intrínseco se todos os átomos do sólido forem de silício. A condutividade do silício a temperatura ambiente de 25ºc é tão baixa que não existe aplicação prática para o mesmo. Uma maneira de aumentar a condutividade de um cristal de silício é introduzindo átomos de impureza,
Dopagem De Um Semicondutor
A dopagem de um semicondutor consiste em introduzir no cristal, átomos de impurezas. O objetivo da dopagem é aumentar a condutividade do cristal. Um semicondutor dopado com átomos de impurezas é um semicondutor extrínseco.
Semicondutor Tipo N
É um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja, átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência. Como exemplos de substâncias pentavalentes podemos citar o arsênio, antimônio e fósforo. Quando os átomos de impurezas se associam com os outros átomos, um dos elétrons da camada de valência, sobe para a banda de condução, porque ele só precisa de quatro elétrons na camada de valência para estabelecer a ligação covalente. Para cada átomo de impureza introduzido no cristal, aparecerá um elétron livre. Se forem introduzidos, por exemplo, 20 milhões de átomos de impurezas, o cristal terá 20 milhões de elétrons livres, sem contar os elétrons livres produzidos termicamente por causa da quebra de ligações covalentes.
Quando um cristal de silício puro é dopado com átomos pentavalentes, ele se transforma num semicondutor tipo N. Ele agora possui uma grande quantidade de elétrons livres e algumas lacunas proveniente da quebra de ligações covalentes. A sua condutividade agora é maior, por causa dos elétrons livres.
Semicondutor tipo N
Num semicondutor tipo N, os elétrons livres são chamados de portadores majoritários porque existe em maior quantidade, enquanto que as lacunas são chamadas de portadores minoritários por se encontrarem em menor quantidade.
Embora cada átomo pentavalentes introduzido no cristal tenha um elétron que foi empurrado para banda de condução, este elétron continua a pertencer ao átomo, ou seja, eletricamente falando, o átomo continua neutro.
Semicondutor tipo P
Um semicondutor tipo P é obtido através da injeção de átomos trivalentes no cristal puro. Como exemplos de impurezas trivalentes podemos citar o alumínio, boro e gálio. Como um átomo trivalente possui três elétrons na camada de valência, uma lacuna será criada quando o mesmo for se associar com os átomos vizinhos através da ligação covalente. Para cada átomo de impureza, aparecera uma lacuna.
Um cristal dopado com átomos trivalentes é um semicondutor tipo P. Ele possui uma grande quantidade de lacunas e alguns elétrons livres produzidos termicamente, devido a quebra de ligações covalentes. Neste caso, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons livres são os portadores minoritários.
Semicondutor tipo P
Da mesma forma que os elétrons livres no semicondutor tipo N aumenta a condutividade do cristal, o aumento do número de lacunas no semicondutor tipo P também aumenta a condutividade do cristal. A diferença é que no semicondutor tipo N, a condutividade aumenta na banda de condução e no tipo P, a condutividade aumenta na camada de valência,k eletricamente falando, cada átomo de impureza no semicondutor tipo P, não ganhou nem perdeu elétrons, portanto continua eletricamente neutro.
Semicondutor Extrínsecos
Quando um cristal puro é dopado, seja ele com impurezas pentavalentes ou trivalentes, ele se transforma em um semicondutor extrínseco, o que significa que ele não é mais puro.
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