A Física de semicondutores

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A distância entre estas bandas indica qualitativamente a classificação do material quanto a condutividade. Em metais, a banda de condução e de valência se sobrepõe, portanto, neste tipo de material, a banda de condução está parcialmente preenchida, explicando a alta condutividade característica. Em isolantes, a distância entre as bandas é grande o suficiente para impedir que elétrons passem para a banda de condução sem a necessidade de uma grande energia energia externa. Já a distância em materiais semicondutores é grande o bastante para impedir que existam elétrons na banda de condução em situação de repouso, mas pequena o bastante para permitir que níveis razoáveis de excitação externa permitam a condução de eletricidade.

2.2 Nível de Fermi

Pelo descrito na obra de Sze e Lee (2012), um semicondutor intrínseco é aquele que possui quantidades pequenas de impureza em comparação à quantidade de portadores termicamente gerados.

Em equilíbrio térmico, a única fonte de energia para excitar os elétrons na camada de valência é própria energia térmica do material. Quando a temperatura do material é superior ao zero absoluto, elétrons podem superar o gap energético (distância entre bandas) e deixar a banda de valência mais positiva. Esta carga positiva é denominada lacuna, ou buraco, e nada mais é que a própria ausência do elétron, a carga negativa. Em equilíbrio térmico (regime permanente), o número de elétrons na camada de condução é o mesmo que o número de lacunas na camada de valência.

Nesta condição, a distribuição da probabilidade de um elétron ocupar um estado eletrônico pode ser analisada pela Figura 4

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Figura 5 Distribuição de Fermi.

Fonte: Sze e Lee (2012)

Há um grande número de estados possíveis na banda de condução, porém, em um semicondutor intrínseco, não há tantos elétrons nessa. Logo, a probabilidade de um elétron ocupar um desses estados é pequena. O oposto ocorre na banda de valência, onde a probabilidade de um estado não estar ocupado é pequena e, portanto, a probabilidade de um estado estar ocupado é quase unitária. Na Figura 4, o nível EF indica onde a distribuição da probabilidade é simétrica e é denominado nível de Fermi. EF está no meio do limite inferior da banda de condução, EC, e do limite superior da banda de valência, EV. Isto implica uma probabilidade igual para elétrons e lacunas ocuparem estados livres e, portanto, a densidade desses portadores deve ser igual.

A quantidade de estados preenchidos na banda de condução pode ser modificada pela temperatura do semicondutor. Usualmente, temperaturas relativamente altas são necessárias para que o material possua uma condutividade significativa. A Figura 5 ilustra a variação da densidade de portadores de carga, elétrons ou lacunas, intrínseca de acordo com o aumento da temperatura para os semicondutores Silício e Arsenieto de Gálio. Em 27ºC, temperatura ambiente, as densidades são 2,25x106 e 9,65x109 cm-3, respectivamente.

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Figura 6 Densidade de portadores intrínsecos de acorodo com a temperatura

2.2 Semicondutores Extrínsecos

Impurezas podem ser inseridas em semicondutores intrínsecos para aumentar a densidade de elétrons ou lacunas, tornando-os extrínsecose e inserindo novos níveis de energia para os portadores de carga.

Impurezas ditas doadoras, como o fósforo e o arsênio, possuem cinco elétrons de valência. Quando átomos deste tipo são colocados junto aos átomos de silício, que possuem quatro elétrons de valência, quatro ligações covalentes são formadas. O quinto elétron, o qual foi introduzido à rede cristalina de silício pelo arsênio, é fracamente ligado à impureza, pois não participa de ligação interatômica. Portanto, este elétron necessita de uma energia menor que os elétrons da ligação covalente para passar para a banda de condução e transportar energia elétrica.

O análogo também pode ser realizado. Impurezas aceitadoras, como o bóro, possuem três elétrons de valência. Ao serem inseridas no silício, os três elétrons formarão ligações covalentes com outros três elétrons do silício. O quarto elétron do silício forma, sozinho, a quarta ligação covalente. Consequentemente, uma lácuna é formada nesta ligação, aumentando a densidade deste tipo de portador. A Figura 6 (a) e (b) ilustram o efeito da adição dos portadores na rede.

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Figura 7 Silício com (a) impureza doadora de elétron e (b) impureza aceitadora de elétron

O efeito da adição de impurezas é o deslocamento do nível de Fermi da posição incial, no meio do gap entre as bandas, para mais perto da banda de condução, no caso de impurezas doadoras, ou para mais perto da banda de valência, no caso de impurezas aceitadoras. O semicondutor é chamadao tipo n, quando infundido com doadores, ou tipo p, quando infundido com aceitadores.

2.3 Junção p-n

Ao dopar diferentes áreas de um semicondutor, é possível fabricar variados dispositivos eletrônicos como diodos e transistores (Rezende, 2004). A forma mais básica deste tipo de configuração é a junção p-n, construída a partir de um semicondutor tipo n e outro tipo p. O comportamento dos portadores de carga em junções é o que caracteriza a relação tensão-corrente do dispositivo.

Duas situações são consideradas para o entendimento físico da junção p-n. Inicialmente, são considerados dois blocos semicondutores, um tipo p e outro tipo n. Na Figura 7, os diagramas de banda destes blocos são apresentados.

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Figura 8 Comparação dos Diagramas de Banda dos Semicondutores Extrínsecos

O nível Ei corresponde ao nível de Fermi para o silício intrínseco, ilustrando que ambos os blocos são formados por este semicondutor. Na obra de Rezende (2004), o nível de Fermi extrínseco, EF, no tipo p está próximo do limite superior da banda de valência e o no tipo n está próximo do limite inferior da banda de condução, como apresentado por Sze e Lee (2012).

No contato entre os blocos, os níveis EF devem permanecer constantes. Este efeito é descrito como “quando dois reservatórios com níveis diferentes