Semicondutores

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Estrutura cristalina dos semicondutores

Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina.

O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura.

Átomo de silício

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Ligação covalente

Nessa estrutura cristalina, cada átomo (representado por Si) une-se a outros quatro átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um electrão do átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois electrões.

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Estrutura cristalina dos semicondutores

Na prática, a estrutura cristalina ilustrada na figura só é conseguida quando o cristal de silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito electrões de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há electrões livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante.

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Semicondutor intrínseco

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electrões livres no semicondutor.

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Semicondutor extrínsecoHá diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor.

Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.

Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco.

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Processo de dopagem

Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco.

As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores.

Átomos dadores têm cinco electrões de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb).

Átomos aceitadores têm três electrões de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).

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Semicondutor do tipo N

A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam electrões livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) electrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do electrão).

Electrão livre do Arsénio

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Semicondutor do tipo P

A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) electrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do electrão).

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Portadores maioritários e minoritários

Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica.

Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica.

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Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo N

Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita) porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários).

A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.

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Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo P

Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita) porque o número de lacunas livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de electrões livres (portadores minoritários).

A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo.

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