SemiCondutores

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para o arsenito de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arsenito de índio, e certamente outros com estequiometrias mais sofisticadas. Os elementos no composto devem aparecer sempre dispostos em estrutura cristalina sem falhas ou imperfeições, o que justifica o emprego de técnicas de produção elaboradas e especialmente desenvolvidas para garantir tal simetria.

Para este tipo de material à temperatura de 0 K, a banda de valência está completamente preenchida e a de condução vazia, logo, mesmo quando aplicado um campo eléctrico ao material, não existe corrente eléctrica.

Para temperaturas diferentes do zero absoluto, os electrões da banda de valência têm energia suficiente para transitarem para a banda de condução. Quando isto ocorre, gera-se um portador de carga oposta à do electrão o buraco (lacuna). Este fenómeno acontece para uma certa temperatura com um ritmo, chamado Ritmo de Geração Térmica. Que em equilíbrio termodinâmico é igual ao Ritmo de Recombinação, que é o fenómeno contrário, onde um electrão liberta energia e regressa à banda de valência.

A densidade de electrões (n) e buracos (p) nestes materiais, são iguais e, a uma certa temperatura, é designada densidade intrínseca do material.

Alguns valores típicos:

Semicondutor

Si 1.02x1016

Ge 2.33x1019

GaAs 2.1x1012

Semicondutores Extrínsecos

Silício dopado com Fósforo

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a alterarem as suas características. A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades eléctricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controlo de correntes eléctricas.

A dopagem é feita utilizando-se elementos diferentes dos que integram a rede semicondutora, usualmente os elementos da coluna III (para semicondutores tipo P) ou da coluna V (para semicondutores tipo N). É contudo também comum o emprego de elementos de outras colunas, incluso a coluna IV, tanto para a obtenção de semicondutores do tipo P como do tipo N.

Caso o tipo de impurezas dopantes seja doadora, isto é, tem electrões de valência "dispostos" a saírem da sua orbital, o tipo do semicondutor é N. Isto acontece pois o semicondutor vai ter um excesso de electrões face ao número de buracos (cargas portadoras de sinal contrário ao dos electrões). O excesso de electrões ocorre devido à proximidade da banda de energia mais alta da impureza à banda de condução do semicondutor. Quando o material dopante é adicionado, este aporta seus eléctron mais fracamente ligados aos átomos do semicondutor. Este tipo de agente dopante é também conhecido como material doador já que cede um de seus eléctron ao semicondutor. O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de eléctron livres no material

Analogamente ocorre caso a impureza seja aceitador, isto é, com as orbitais semipreenchidas, capazes de aceitar eléctron. Irá neste caso ocorrer um excesso de buracos face ao número de electrões, pois parte destes em vez de se recombinarem com os buracos, foram aceites pelas impurezas. Neste caso é tipo P. O propósito da dopagem tipo-P é criar abundância de lacunas. Por exemplo, uma impureza trivalente deixa uma ligação covalente incompleta, fazendo que, um dos átomos vizinhos ceda-lhe um eléctron completando assim as suas quatro ligações. Assim os dopantes criam as lacunas. Cada lacuna está associada com um íon próximo carregado negativamente, portanto o semicondutor mantém-se electricamente neutro. Entretanto quando cada lacuna se move pela rede, um protón do átomo situado na posição da lacuna se vê "exposto" e logo se vê equilibrado por um eléctron. Por esta razão uma lacuna comporta-se como uma carga positiva. Quando um número suficiente de aceitadores de carga são adicionados, as lacunas superam amplamente a excitação térmica dos eléctron. Assim, as lacunas são os portadores majoritários, enquanto os eléctron são os portadores minoritários nos materiais tipo P.

Os semicondutores (não degenerados) tipo-N têm o nível de Fermi mais próximo da banda de condução, enquanto os tipo-P, têm o nível de Fermi mais próximo da banda de valência

4. Distribuição Quântica dos Electrões

Os electrões enquanto partículas quânticas obedecem a dois postulados.

- Princípio de Exclusão de Pauli

- Princípio da Indiscernibilidade

Como tal, é possível descrever a distribuição de electrões pelos estados quânticos de energia W disponíveis através da função de Fermi-Dirac.

,

Com a energia do estado quântico a considerar, , a energia de Fermi, , a temperatura e , a constante de Boltzmann.

Esta função com contradomínio de 0 a 1, indica o grau de preenchimento àquela energia por parte dos electrões.

5. Semicondutores Compostos

Existem vários tipos de semicondutores compostos, binários, ternários e quaternários.

Os semicondutores binários mais usuais são geralmente feitos com dois elementos do grupo IV, ou como combinação entre dois elementos dos grupos III e V, ou II e VI.

Os ternários obtêm-se através da combinação de dois binários com um elemento em comum, e os outros dois pertencendo ao mesmo grupo da Tabela Periódica. Respeitando a fórmula:

com entre 0 e 1 e que tem significado de concentração relativa do elemento.

Por sua vez, os compostos quaternários, são feitos a partir da combinação de 4 compostos binários. De maneira análoga aos ternários:

As aplicações dos semicondutores compostos são variadas, tais como em LASER e outros dispositivos optoelectrónicos.

6. Classificação dos Materiais

De uma maneira geral os materiais podem ser divididos em:

Isolantes, Semicondutores e Condutores

Os materiais sólidos podem ser divididos em classes principais, conforme a distribuição atómica da estrutura:

Cristais,