Capítulo 4 – SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO
4.1
I
NTRODUÇÃOO semicondutor intrínseco apresentado no capítulo anterior não tem utilidade para aplica-ções em eletrônica, pois a quantidade de EBCs e LBVs é a mesma, existem, apenas, pares EBC
-LBV provenientes dos átomos de Silício ionizados, gerados por agentes externos que fornecem energia (geração térmica) ao sistema, havendo neutralidade das cargas positivas (LBVs) e negati-vas (EBCs) total e ponto a ponto. O aumento da temperatura provoca um igual aumento nas quantidades de portadores p e portadores n simultaneamente. O semicondutor intrínseco tem sua condutividade bastante variável em função da temperatura e da luminosidade, o que faz dele um sensor de temperatura ou luz. Como iiSi é baixo, sua condutividade também é baixa.
Para a aplicação na maioria dos dispositivos semicondutores, é necessário, durante a fabri-cação, adicionar impurezas para modificar convenientemente o comportamento do material se-micondutor, ou seja, alterar as quantidades relativas de EBCs e LBVs, tornando estes valores di-ferentes, controle que não é possível no semicondutor intrínseco.
A palavra “impureza”, neste contexto, não se refere a átomos indesejáveis cuja inserção no Silício se deve a imperfeições no processo de fabricação do dispositivo; neste caso, a palavra mais usual é “contaminação”; fato que provoca alterações no comportamento do semicondutor, tor-nando seu comportamento imprevisível. A fabricação destes dispositivos requer o uso de “salas limpas”, ambientes cuja qualidade do ar é controlada (temperatura, pressão, umidade, etc).
A essa adição de impurezas dá-se o nome de dopagem. O semicondutor dopado é chamado de substrato ou semicondutor extrínseco ou semicondutor dopado. A terminologia “substrato” é mais específica, esta palavra, em seu significado genérico, se aplica a uma base onde algo é cons-truído; no contexto dos semicondutores, trata-se da lâmina sobre a qual os componentes elétri-cos integrados são construídos. Não se usa substratos feitos com semicondutor intrínseco, o pro-cesso de dopagem mais elementar é o do substrato.
No semicondutor intrínseco, o equilíbrio da quantidade de elétrons e lacunas é mantido para qualquer temperatura; para cada EBC formado, é formada também uma LBC. No semicon-dutor extrínseco, estes equilíbrios não são mantidos.
Há dois tipos de semicondutor dopado:
• Semicondutor p: Resultado da adição, ao cristal de Silício, de um metal do grupo 3A (3
EBVs). É feita a dopagem com impureza tipo p (também chamada de impureza aceitadora (de elétrons) ou impureza trivalente). Ocorre o aparecimento de uma LBV para cada átomo de impureza adicionado ionizado.
• Semicondutor n: Resultado da adição, ao cristal de Silício, de um não-metal do grupo 5A (5
EBVs). É feita a dopagem com impureza tipo n (também chamada de impureza doadora (de elétrons) ou impureza pentavalente). Ocorre o aparecimento de um EBC para cada átomo de impureza adicionado ionizado.
De maneira mais genérica, um semicondutor pode ser do tipo n, p e i, sendo os dois primei-ros extrínsecos e o último extrínseco.
Síntese da ação do dopante:
• Semicondutor p: O átomo trivalente utiliza todos os seus três EBVs para realizar as liga-ções covalentes com os átomos de Silício vizinho, faltando um EBV. O átomo trivalente fica com sete EBVs, desrespeitando a regra do octeto. É preciso receber um elétron de um outro átomo de Silício (cuja ligação covalente deve ser quebrada) para completar os oito EBVs da impureza, aparecendo uma LBV no Silício (daí o nome “impureza aceitadora de elétrons provenientes da
BV”). A BV recebe lacunas, daí o nome “tipo p”. A impureza do tipo p mais empregada é o Boro. O átomo de impureza que aceitou um elétron torna-se um íon negativo, ânion e é fixo à rede cristalina.
• Semicondutor n: O átomo pentavalente utiliza quatro de seus cinco EBVs para realizar as ligações covalentes com os átomos de Silício vizinhos, sobrando um EBV. O átomo pentavalente fica com nove EBVs, desrespeitando a regra do octeto. É preciso doar um elétron para a BC (daí o nome “impureza doadora de elétrons para a BC”). A BC recebe o elétron, daí o nome “tipo n”. A impureza do tipo n mais empregada é o Fósforo. O átomo de impureza que doa o elétron para a BC torna-se um íon positivo, cátion, e é fixo à rede cristalina.
Boro Fósforo
Número atômico 5 15
Peso atômico (u.m.a.) 10,81 30,97
Distribuição eletrônica 1s2, 2s2, 2p1 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p3
Elétrons nas camadas 2, 3 2, 8, 5
Tabela 4.1
– Características do Boro e do Fósforo.Tipo p Tipo n
Impureza (ação) Aceitadora Doadora
Impureza (valência) Trivalente Pentavalente
Impureza (família) 3A 5A
Impureza (característica) Ametal Metal
Impureza (maior uso) Boro Fósforo
Antes da ionização 7 EBVs 9 EBVs Após a ionização 8 EBVs 8 EBVs
Íon formado Ânion Cátion
Portador majoritário LBV EBC
Tabela 4.2
– Diferenças entre as impurezas.O átomo de impureza, ao ser inserido, inicialmente, permanece neutro e não respeita a regra do octeto; o processo de doação ou aceitação de elétron por parte da impureza é chamado de ionização da impureza. Após a ionização, as impurezas (tipo p ou n) ficam com oito EBVs, tor-nando-se ânions (3A) ou cátions (5A). Os átomos de impureza (íons) pertencem à rede cristalina e são fixos.
Os átomos de Silício estão todos lado a lado na estrutura cristalina e a ligação rompida pode se mover aleatoriamente em qualquer direção, as LBVs são móveis, muito embora os átomos sejam fixos. Diferentemente, os átomos de impureza não estão todos lado a lado, há muitos áto-mos de Silício entre os de impureza, impedindo que os íons (cátions ou ânions) de impureza se movam. Os íons de impureza são cargas fixas.
4.2
P
ROCESSO DED
OPAGEMO átomo dopante pode assumir duas situações no cristal:
• Quando os átomos de impureza são inseridos no semicondutor, eles assumem posições instersticiais, ou seja, ficam alojados dos espaços vazios da rede cristalina (interstícios), não formam ligações covalentes com os átomos de semicondutor. Nessa condição, a im-pureza não exerce ação de dopagem sobre o comportamento do semicondutor (não há formação de portadores nem de íons), embora sua presença possa causar alguma defor-mação local na rede.
• Para que a impureza aja como dopante, é necessário que ela ocupe uma posição substitu-cional, ou seja, que ela se aloje no lugar de um átomo de semicondutor, na rede cristalina, ligando-se aos átomos visinhos. O processo de transformação das impurezas intersticiais em impurezas substitucionais é chamado annealing (recozimento) ou “ativação de dopan-tes”. A palavra “annealing”, em inglês, representa o processo metalúrgico de alteração das propriedades microestruturais de um material por meio do aquecimento. No caso do semicondutor, o aquecimento é necessário porque os átomos de Silício devem rearranjar-se de modo que os átomos de impureza rearranjar-se acomodem e rearranjar-se alojem em posições ativas do cristal. Diz-se que um dopante é ativo quando ele assume posição substitucional, quando ele exerce ação de dopante. O recozimento consiste na colocação do semicondutor em um forno com temperatura e tempo controlados. O recozimento pode ser feito em con-junto com outro processo térmico, como, por exemplo, uma oxidação.
As palavras “interstício” e “vacância” têm significados diferentes. Enquanto a primeira se refere ao espaço entre dois átomos contíguos, a segunda se refere a um átomo ausente.
A dopagem pode ser realizada de duas formas:
• Difusão térmica: O semicondutor é colocado em um forno em um ambiente gasoso com alta concentração de dopante. Com a alta temperatura e a alta concentração de dopante na forma gasosa, ele se difunde para dentro do semicondutor. A vantagem deste método é a obtenção de cristais com menos defeitos, além de proporcionar um recozimento parcial ou total, que desfaz defeitos prévios. A desvantagem é que o alto aquecimento por um período prolongado provoca a difusão de elementos que formam camadas criadas em eta-pas anteriores, podendo danificar os componentes já construídos. Outra desvantagem é a isotropia, ou seja, a difusão ocorre à mesma velocidade e intensidade em todos os sentidos (exceto o da superfície); se a intenção for a de dopar apenas uma região da lâmina (poço ou ilha), o perfil de dopagem assume um formato parecido com um semi-círculo, não se consegue criar poços estreitos e profundos.
• Implantação iônica: O átomo de impureza é ionizado para que possa ser acelerado por um campo elétrico (acelerador de partículas) e lançado sobre o semicondutor (partículas neu-tras não podem ser aceleradas por um campo elétrico), em um ângulo específico; este ân-gulo controla a profundidade do poço. O átomo de impureza penetra nos espaços vazios do cristal e, após sofrer várias colisões com átomos de Silício, perde sua energia cinética e aloja-se em algum local do cristal (interstício). A vantagem deste método é a anisotropia, ou aloja-seja, consegue-se fazer poços profundos e estreitos (sem espalhamento lateral). A desvantagem é que as colisões provocam defeitos na rede cristalina (os choques inelásticos provocam o
desprendimento de alguns átomos de Silício da rede cristalina, fazendo estes assumirem posições intersticiais e a região exercer comportamento de um material amorfo) que devem ser eliminados por meio de recozimento (annealing). Trata-se do método mais empregado atualmente.
O nível de dopagem retrata a concentração de dopantes no semicondutor. A inserção de impurezas é feita através de processos metalúrgicos sofisticados e não se limita, apenas, à indus-tra de semicondutores. É possível inserir quantidades variadas de impurezas. A proporção entre a quantidade de átomos de impureza no semicondutor e a quantidade total de átomos recebe o nome de nível de dopagem (NDOP), também chamada de concentração de impurezas, um
parâ-metro de grande importância na construção de dispositivos semicondutores. As câmaras de difu-são térmica permitem o controle deste parâmetro por meio do tempo de exposição, da presdifu-são, da temperatura, dos componentes da solução gasosa e do uso de máscaras, geralmente formadas por óxido de Silício. Os implantadores de íons permitem que estes sejam contados um a um antes de serem lançados em direção ao semicondutor, garantindo um controle mais preciso do nível de dopagem.
Difusão térmica Implantação iônica
Custo Baixo Elevado
Precisão (nível de dopagem) Menor Maior
Defeitos cristalográficos Elimina Cria
Orientação Isotrópica Anisotrópica
Tabela 4.3
– Comparação entre os dois processos de dopagem.O recozimento é usado tanto para a ativação de dopantes como para a eliminação de de-feitos na rede cristalina. Esses dois fenômenos ocorrem de forma simultânea.
As lâminas de Silício, antes de serem gravadas, já possuem uma dopagem inicial intensional. Essa dopagem, geralmente de baixo nível, provém da maneira como a lâmina é fabricada e não é feita por meio dos processos citados acima. Lâminas de Silício intrínseco têm pouca ou nenhuma serventia para fins eletrônicos.
semicondutor tipo p semicondutor tipo n
Figura 4.1
– Representação dos portadores no semicondutor dopado. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Si Si B P Si Si Si Si Si Si Si Si
Dopagem tipo p Dopagem tipo n
Figura 4.2
– Efeito da dopagem.Como as impurezas do tipo p ganham elétrons, também podem ser chamadas de cargas fixas negativas. Como as impurezas do tipo n ganharam lacunas, também podem ser chamadas de cargas fixas positivas.
1. Cargas fixas geradas a partir da ativação da impureza.
2. Cargas móveis geradas a partir da ativação da impureza.
3. Cargas móveis geradas termicamente a partir do Silício (geração térmica)
Por maior que seja o nível de dopagem, sempre há muito mais átomos de Silício do que de impurezas; a probabilidade de dois átomos de impureza reagirem entre si é desprezível e, por isso, os íons formados por átomos de impureza são fixos.
Como os átomos de impureza estatisticamente nunca são vizinhos, eles não podem trocar cargas entre si; eles recebem ou doam elétrons para o Silício. O átomo de Silício que recebe ou doa elétron não é considerado ânion ou cátion, respectivamente. Quem recebe a denominação de íon é o átomo de impureza.
• Os átomos de impureza se transformam em íons.
• Os átomos de Silício formam portadores.
A carga do íon fica aprisionada na rede cristalina, não pode se mover. A carga do portador é livre, por isso o nome “portador”.
O nível de dopagem dos semicondutores do tipo n ou p, NDOP(N,P), é dado pelas fórmulas:
Si A A P DOP Si D D N DOP N N N N N N N N ( ) ) ( A Si D Si N N N N
NDOP(N,P) : Nível de dopagem do semicondutor n ou p NSi : Número de átomos de Silício
ND,A : Número de átomos de impureza doadora ou aceitadora
No semicondutor intrínseco, os portadores p e os portadores n existem em igual quanti-dade. No semicondutor extrínseco, estas quantidades são diferentes. O semicondutor p possui mais portadores p e o semicondutor n possui mais portadores n. O tipo de portador encontrado em maior quantidade recebe o nome de portador majoritário (major carrier) (Pmaj) e o tipo de
LBV Impureza tipo p Elétron pro-veniente do Silício Ânion EBC Impureza tipo n Cátion
portador encontrado em menor quantidade recebe o nome de portador minoritário (minor
car-rier) (Pmin). A diferença entre a quantidade de Pmajs e Pmins é tão maior quanto for o nível de dopagem. • LBVs: portadores p • EBCs: portadores n Tipo p Tipo n Pmaj LBV EBC Pmin EBC LBV
Tabela 4.4
– Os tipos de portadores nos semicondutores.4.3
I
ONIZAÇÃO NOS
EMICONDUTORD
OPADOO átomo de impureza pode ser encontrado em uma situação especial na qual o elétron fica em uma órbita um pouco menos energética que a BC (impureza doadora) ou a lacuna fica numa órbita um pouco menos energética que a BV (impureza aceitadora); trata-se de uma situação exclusiva do semicondutor extrínseco, não ocorrendo no semicondutor intrínseco. Tal situação ocorre quando o átomo de impureza não está ionizado, ou seja, quando ele não fornece, ao se-micondutor, um portador (n ou p), situação na qual a impureza não age como tal.
O átomo de impureza pode, então, ser encontrado em três situações distintas:
• Passivo: Ocupa posição intersticial e não pode ser ionizado.
• Ativo não ionizado: Ocupa posição substitucional mas não gera portador.
• Ativo ionizado Ocupa posição substitucional e gera portador.
• Ionização da impureza doadora: Quando um átomo de impureza doadora (tipo n, penta-valente) a exemplo do Fósforo é adicionado ao semicondutor, as quatro ligações covalentes com átomos de Silício são realizadas, após as quais o EBV restante na impureza vai para uma órbita mais energética (para o elétron) do que a BV, ficando, porém, ainda preso ao átomo de impureza por meio de uma órbita de grande raio e pequena atração eletrostática. A energia empregada na elevação deste elétron do átomo de impureza para esta órbita mais energética provém do pro-cesso de recozimento. O átomo de impureza doadora ainda não é um cátion, pois ainda possui todos seus nove EBV s, e o elétron na órbita externa da impureza ainda não é um portador, pois está preso em sua órbita. É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia (EG(D))
para que este elétron desprenda-se do átomo de impureza doadora, saia de sua órbita e torne-se livre, indo para a BC, transformando o átomo de impureza doadora em cátion e o elétron em um EBC. Esta órbita mais energética do que a órbita de valência possui um nível de energia inter-mediário, um pouco menor do que o da BC (para o elétron) e muito maior do que o da BV, é chamada de órbita doadora e sua faixa de energia é chamada de banda doadora BD.
• Ionização da impueza aceitadora: Quando um átomo de impureza aceitadora (tipo p, tri-valente) a exemplo do Boro é adicionado ao semicondutor, as três ligações covalentes com áto-mos de Silício são realizadas, faltando um elétron para formar a quarta ligação. O átomo de im-pureza aceitadora ainda não é um ânion, pois ainda possui sua lacuna. É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia (EG(A)). Este elétron é, então, retirado de um átomo de
Silício, formando a quarta ligação covalente, ficando a impureza com oito elétrons na BV. trans-formando o átomo de impureza aceitadora em íon negativo.
• É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia (EG(A)) para que surja
uma LBV no Silício. Esta órbita intermediária, um pouco menos energética do que a BV (para a lacuna), é chamada de banda aceitadora BA.
Figura 4.3
– Ionização da impureza doadora.Figura 4.4
– As bandas de energia para o elétron em semicondutor tipo n.• Ionização da impueza aceitadora (explicação adicional): Quando um átomo de impureza aceitadora (tipo p, trivalente) é adicionado ao semicondutor, as três ligações covalentes com áto-mos de Silício são realizadas, após as quais o átomo de Silício vizinho torna-se propenso a perder um de seus EBVs para que o átomo de impureza complete os oito EBVs. Um EBV de um átomo de Silício adjacente, durante o processo de dopagem, é promovido para uma banda mais elevada de energia. A energia empregada na elevação deste elétron do átomo de Silício para esta órbita mais energética provém do processo de recozimento. O átomo de impureza doadora ainda não é um ânion, pois ainda possui apenas sete EBVs, e o elétron na órbita externa do Silício não é um portador, pois está preso em sua órbita. É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia de natureza termodinâmica (EG(A)) para que este elétron desprenda-se do átomo de
Silício, saia de sua órbita e migre para a impureza aceitadora, transformando o átomo de impu-reza em ânion. No instante em que esta troca ocorre, forma-se uma LBV no átomo de Silício de doou o elétron. O elétron recebido pela impureza está preso ao átomo, em uma órbita um pouco maior do que a BV, esta órbita possui um nível de energia intermediário, muito menor do que o da BC (para o elétron) e um pouco maior do que o da BV e é chamada de órbita aceitadora, sua faixa de energia é chamada de banda aceitadora BA.
BV
BD
BC
ionização recombinação Dopagem e ativação energia Órbita de valênciaÓrbita doadora EBC
Silício ionização L K Ligação covalente 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Figura 4.5
– Ionização da impureza aceitadora.Tanto a LBV formada no semicondutor tipo p como o EBC formado no semicondutor tipo n
vagueiam pelo cristal de Silício, aumentando a condutividade do semicondutor.
• Tipo n: A órbita doadora é ocupada pelo elétron que o átomo de impureza doa para o Silício durante a ionização. A órbita doadora existe somente em semicondutor tipo n. A BC é preenchida por EBCs provenientes das impurezas ionizadas e vagueiam pelos átomos de Silício. A BD é preenchida por elétrons em excesso dos átomos de impureza não ionizados, elétrons que não puderam realizar ligação covalente com elétrons do Silício e, por isso, se energizaram.
• Tipo p: A órbita aceitadora é ocupada pelo elétron do Silício que o átomo de impureza aceita durante a ionização. A órbita aceitadora existe somente em semicondutor tipo
p. A BV é preenchida por LBVs provenientes das impurezas ionizadas e vagueiam pelos átomos de Silício. A BA é preenchida por elétrons doados pelos átomos de Silício aos átomos de impurezas ionizados, elétrons cuja migração para a impureza forma lacunas no Silício.
Figura 4.6
– Níveis de energia.As figuras A e B, acima, ilustram a equivalência entre as dopagens n e p. Ambas ilustram que o processo de recozimento eleva a energia das impurezas. No tipo n, o elétron que sobra, sem formar ligação covalente, é promovido para uma banda de energia mais elevada, a BD. No
Órbita de valência Órbita aceitadora LBV Silício ionização Ligação covalente 1 2 3 4 5 6 7 8 Energia elétrons E BC BD BV EG(D) tipo n
A
Silício Dopante Energia lacunas E BV BA BC EG(A) tipo pB
Silício Dopante Energia lacunas E BC BA BV EG(A) tipo pC
Dopante Silíciotipo p, a lacuna que sobra devido à ligação covalente não formada é promovida para uma banda de energia mais elevada, a BA.
A figura B, embora seja análoga à figura A, emprega, como sentido positivo de crescimento de energia, o das lacunas, porém é mais didático utilizar-se, como parâmetro, o nível de energia dos elétrons, tal como é mostrado na figura C.
Recombinado Ionizado Órbita aceitadora Vazia Ocupada
Órbita doadora Ocupada Vazia
Tabela 4.5
– Ocupação das bandas especiais das impurezas.A temperatura exerce papel fundamental no índice de ionização (tanto da impureza como do Silício), porém a energia necessária para ionizar um átomo de Silício é muito maior do que a necessária para ionizar um átomo de impureza, pois a maior parte da energia de ionização da impureza já está inserida no semicondutor por meio do processo de recozimento realizado du-rante a fabricação do mesmo. O bandgap da ionização da impureza é muito menor do que o do Silício. A impureza é muito mais sensível à temperatura do que a do Silício.
• A diferença energética entre a BD e a BC é chamada de energia de ionização de impureza doadora (EG(D)), uma característica da impureza doadora. Ocorre no semicondutor n.
• A diferença energética entre a BA e a BV é chamada de energia de ionização de impureza aceitadora (EG(A)), uma característica da impureza aceitadora. Ocorre no semicondutor p.
• A diferença energética entre a BD e a BV ou entre a BA e a BC corresponde a uma parte da energia que deve ser acrescentada ao sistema, durante a fabricação, para que o átomo de impureza assuma posição intersticial (processo de recozimento).
Definem-se índice de ionização da impureza doadora e aceitadora (iiD,A) a porcentagem de
átomos de impureza que se ionizaram. O iiD,A é diretamente proporcional à temperatura e
inver-samente proporcional a EG(D,A) e o número total de átomos (densidade ou nível de dopagem).
Quanto maior for a temperatura, maior é iiD,A. Como EG(D,A) é muito inferior a EG(Si), iiD,A é bastante
superior a iiSi. À temperatura ambiente, poucos átomos de Silício encontram-se ionizados, mas
quase todos os de impureza se ionizam. Apesar de iiD,A >> iiSi, há muito mais átomos de Silício do
que de impureza, de modo que a ionização do Silício é relevante, mesmo com baixo índice. O iiD,A é definido pela fórmula:
A A A A D D D D Nc Ni Ni ii Nc Ni Ni ii Si A Si D ii ii ii ii
iiD,A : Índice de ionização do dopante
NiD,A : Número de átomos de dopante ionizados
NcD,A : Número de átomos de dopante combinados
Como iiD,A vale quase 100% na temperatura ambiente, NcD,A pode ser aproximado para zero
O semicondutor dopado pode ser analisado sob três temperaturas:
Figura 4.7
– Ionização do dopante (análise correta).• Zero Kelvin: Nesta situação, não há entropia nos átomos, não há energia para ionizar nenhum átomo, todos átomos de impureza encontram-se combinados, iiD,A = 0%, NiD,A = 0.
• Baixa temperatura: Alguns átomos de impureza se ionizam, há pouca diferença entre as quantidades de portadores dos tipos p e n, o efeito da dopagem é pequeno.
• Alta temperatura: Todos os átomos de impureza se ionizam, tem-se o máximo efeito de do-pagem para o nível de dodo-pagem aplicado, iiD,A = 100%. A temperatura ambiente faz o
semi-condutor dopado chegar próximo a esta situação.
A migração do elétron da BD para a BC ocorre quando o átomo de Fósforo doa um elétron para a rede cristalina. A BD pertence ao Fósforo, a BC pertence ao Silício.
A migração do elétron da BV para a BA ocorre quando o átomo de Boro recebe um elétron da a rede cristalina, quebrando uma ligação covalente e gerando uma lacuna. A BA pertence ao Boro, a BV pertence ao Silício.
Também é possível analisar o semicondutor p por meio da consideração das fictícias lacunas na BA (como a lacuna é definida como ligação covalente rompida, não há lacunas na BA); esta análise permite criar uma analogia perfeita com o semicondutor n.
O índice de ionização é função da temperatura, quanto maior for a temperatura, maior é
iiD,A. O índice de ionização também é função do nível de dopagem, quanto maior for NDOP, menor
é iiD,A, pois a mesma energia fornecida é distribuída entre um número maior de átomos.
A D
ii t ,
NDOP(N,P)iiD,A
No semicondutor n, à temperatura de 0K, a banda doadora é preenchida pelos elétrons que o átomo de impureza precisa doar para ficar com oito EBVs. No semicondutor p, à temperatura ambiente, a banda aceitadora é preenchida pelos elétrons a mais, fixos, contidos nos ânion. No semicondutor n, à temperatura ambiente, a banda doadora está vazia, pois todos os elétrons a mais dos átomos de impureza são doados para a BC. No semicondutor p, à temperatura de 0K, a
BC BD BV Temperaturaa ambiente Tipo N Baixa temperatura Tipo N BC BD BV 0K Tipo N BC BD BV Tipo P BC BA BV 0K BC BA BV Tipo P Temperaturaa ambiente Tipo P BC BA BV Baixa temperatura Elétron Lacuna
banda aceitadora está vazia, pois todos os elétrons necessários para que os átomos de impureza fiquem com oito EBVs ainda estão presos aos átomos de Silício.
Figura 4.8
– Ionização do dopante (por analogia).Quando o dopante precisa doar um elétron, ele, antes da doação, mantém um elétron na banda doadora. Quando o dopante precisa aceitar um elétron, ele, após a aceitação, mantém o elétron na banda aceitadora.
Há dois tipos de ionização:
• Ionização dos átomos de Silício, gerando o par elétron-lacuna (EBC-LBV).
• Ionização dos átomos de impureza, gerando o par Pmaj-íon. o Impureza doadora: EBC-cátion
o Impureza aceitadora: LBV-ânion
Enquanto a ionização do Silício gera um par de portadores complementares, a ionização da impureza gera um par íon-portador, um par carga fixa – carga móvel.
Há dois tipos de geração e recombinação:
• Geração e recombinação do Silício
• Geração e recombinação da impureza
Geração do Silício: EBV-LBC EBC-LBV
Recombinação do Silício: EBC-LBV EBV-LBC
O EBV ou a LBC que se forma torna-se um portador, e o átomo de impureza que o fornece torna-se um íon. Define-se como índice de ionização de impureza (mencionado anteriormente) a porcentagem de átomos de impureza que se ionizam, reagem com o Silício, transformam-se em íons. Tal como ocorre com o Silício, há formação do par íon-portador.
• Ionização de impureza doadora: EBD - átomo neutro EBC - cátion
• Recombinação de impureza doadora: EBC - cátion EBD - átomo neutro
• Ionização de impureza aceitadora: LBA - átomo neutro LBV - ânion
• Recombinação de impureza aceitadora: LBV - ânion LBA - átomo neutro Nem todos os átomos de impureza ionizam-se. Isso é conseqüência do fato de que, após a inserção da impureza, alguns elétrons ou lacunas permanecem na banda intermediária (BD ou
BA). A 0K, todos os elétrons a mais do semicondutor n estão na BD (EBDs) e todas as lacunas a BC BD BV Temperaturaa ambiente Tipo N Baixa temperatura Tipo N BC BD BV 0K Tipo N BC BD BV BV BA BC Temperaturaa ambiente Tipo N Baixa temperatura Tipo N BV BA BC 0K Tipo N BV BA BC Elétron Lacuna
mais do semicondutor p estão na BA (LBAs fictícias). A media em que a temperatura vai aumen-tando, estes elétrons e lacunas vão se desprendendo de seus respectivos átomos.
A diferença entre a energia da BD e a BC no semicondutor n é muito menor que a diferença entre a energia da BV e a BC. A diferença entre a energia da BA e a BV no semicondutor p é muito menor que a diferença entre a energia da BC e a BV. Na ionização do Silício, o átomo fica com sete EBVs, uma condição instável, altamente energética e, na ionização de impureza, o átomo fica com oito EBVs, uma situação estável, de baixa energia. A ionização do Silício requer muito mais energia do que a ionização da impureza, a energia de ionização do Silício é muito mais alta que a energia de ionização da impureza. Uma vez que o índice de ionização é inversamente pro-porcional à energia de ionização (EG), o iiD,A é muito maior que o iiSi.
DA DA G A D N E ii , , , * 1 EGD,AEG Si iiD,AiiSi
Definem-se o índice de ionização relativo (iiR) como sendo: Si A D R ii ii ii ,
4.4
P
ORTADORESDefinem-se a variável PN,P como sendo a quantidade de Pmajs negativos e positivos,
res-pectivamente, provenientes da ionização da impureza e do Silício.
A A
Si Si
P Si Si D D N N ii N ii P N ii N ii P A ionização do Silício cria alguns pares Pmajs-Pmins. Apesar do índice de ionização da im-pureza ser muito maior do que o do Silício (iiD,A >> iiSi), a quantidade de átomos de Silício é muito
maior do que a de impureza (ND,A << NSi), o que faz com que a quantidade de portadores existen-tes devido à geração do Silício não seja desprezível.
Se a dopagem é pura, ou seja, fornece apenas um tipo de impureza, todos os seus Pmins são criados pela ionização do Silício. Se o semicondutor é impuro, ou seja, possui um segundo tipo de impureza, complementar, parte dos Pmins são criados pela ionização desta outra impu-reza. Esta possibilidade não é considerada nos demais capítulos.
Levando-se em conta que iiD,A >> iiSi, quase todos os átomos de impureza encontram-se
io-nizados e quase todos os átomos de Silício encontram-se combinados à temperatura ambiente. O aumento da temperatura aumenta o iiSi em uma taxa muito maior que a de iiD,A.
Ao dopar um semicondutor, aparecem impurezas indesejáveis, com características diferen-tes daquela com a qual a dopagem é feita - impureza majoritária. As impurezas indesejáveis po-dem ter característica doadora ou aceitadora. Quando sua característica for a mesma da dopa-gem, não há grandes problemas, porém, quando sua característica é oposta (impureza minoritá-ria), muitos problemas surgem. As impurezas majoritárias formam pares Pmajs-ions; estes íons existem em grande quantidade - íons majoritários. As impurezas minoritárias formam pares Pmins-ions. Estes íons existem em pouca quantidade e são chamados de íons minoritários.
Há dois tipos de Pmajs:
• Os Pmajs criados pela ionização do Silício
Há dois tipos de Pmins:
• Os Pmins criados pela ionização do Silício
• Os Pmins criados pela ionização de impureza minoritária
Se o nível de dopagem é grande e a temperatura não é muito alta, podem-se desprezar os portadores criados pela ionização do Silício. Se o processo de fabricação do substrato ou do poço é bom, podem-se desprezar o efeito das impurezas minoritárias. Os únicos portadores relevantes para a utilização do semicondutor são os Pmajs criados pela ionização de impureza.
Podem-se distinguir dois tipos de fluxo num semicondutor dopado:
• Fluxo de Pmajs
• Fluxo de Pmins
Quando se aplica uma corrente elétrica por meio de uma fonte, estes fluxos têm sentidos opostos. Como os Pmajs e os Pmins possuem sinais contrários, suas correntes têm o mesmo sentido.
Substrato n Substrato p
Fluxo de Pmaj Corrente de elétrons (EBC) Corrente de lacunas (LBV)
Fluxo de Pmin Corrente de lacunas (LBV) Corrente de elétrons (EBC)
Tabela 4.6
– Fluxos de portadores.Os Pmajs na dopagem n (EBCs, cargas negativas móveis) são muito mais rápidos que os Pmajs na dopagem p (LBVs, cargas positivas móveis), pois os EBCs são partículas soltas no espaço, enquanto que as LBVs são ligações covalentes rompidas, o fluxo de LBVs requer a contínua que-bra e reconstrução de ligações covalentes. Uma vez que o semicondutor p possui, como Pmaj, a
LBV, sua condutividade é menor do que a do semicondutor n.
Embora os Pmajs possuam todos o mesmo sinal (o mesmo ocorrendo com os Pmins), eles não se repelem, pois suas cargas são compensadas pelos seus respectivos íons (lembrar que, para o Silício, o par EBC-LBV pode ser considerado como um par EBC-cátion); pelo mesmo motivo, Pmajs e Pmins não se atraem, apesar de apresentarem cargas opostas. Em regime permanente (equilíbrio térmico), o semicondutor extrínseco, tal como o semicondutor intrínseco, é neutro em toda sua extensão (ponto a ponto).
