Capítulo 4 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO

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1 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 Capítulo 4 SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO 4.1 INTRODUÇÃO O semicondutor intrínseco apresentado no capítulo anterior não tem utilidade para aplicações em eletrônica, pois a quantidade de Es e Ls é a mesma, existem, apenas, pares E- L provenientes dos átomos de lício ionizados, gerados por agentes externos que fornecem energia (geração térmica) ao sistema, havendo neutralidade das cargas positivas (Ls) e negativas (Es) 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 é baixo, sua condutividade também é baixa. Para a aplicação na maioria dos dispositivos semicondutores, é necessário, durante a fabricação, adicionar impurezas para modificar convenientemente o comportamento do material semicondutor, ou seja, alterar as quantidades relativas de Es e Ls, tornando estes valores diferentes, controle que não é possível no semicondutor intrínseco. palavra impureza, neste contexto, não se refere a átomos indesejáveis cuja inserção no lício 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, tornando seu comportamento imprevisível. fabricação destes dispositivos requer o uso de salas limpas, ambientes cuja qualidade do ar é controlada (temperatura, pressão, umidade, etc). essa adição de impurezas dá-se o nome de dopagem. O semicondutor dopado é chamado de substrato ou semicondutor extrínseco ou semicondutor dopado. terminologia substrato é mais específica, esta palavra, em seu significado genérico, se aplica a uma base onde algo é construído; no contexto dos semicondutores, trata-se da lâmina sobre a qual os componentes elétricos integrados são construídos. Não se usa substratos feitos com semicondutor intrínseco, o processo 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 E formado, é formada também uma L. No semicondutor extrínseco, estes equilíbrios não são mantidos. Há dois tipos de semicondutor dopado: Semicondutor p: Resultado da adição, ao cristal de lício, de um metal do grupo 3 (3 Es). É feita a dopagem com impureza tipo p (também chamada de impureza aceitadora (de elétrons) ou impureza trivalente). Ocorre o aparecimento de uma L para cada átomo de impureza adicionado ionizado. Semicondutor n: Resultado da adição, ao cristal de lício, de um não-metal do grupo 5 (5 Es). É feita a dopagem com impureza tipo n (também chamada de impureza doadora (de elétrons) ou impureza pentavalente). Ocorre o aparecimento de um E para cada átomo de impureza adicionado ionizado. De maneira mais genérica, um semicondutor pode ser do tipo n, p e i, sendo os dois primeiros extrínsecos e o último extrínseco. ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 31

2 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 Síntese da ação do dopante: Semicondutor p: O átomo trivalente utiliza todos os seus três Es para realizar as ligações covalentes com os átomos de lício vizinho, faltando um E. O átomo trivalente fica com sete Es, desrespeitando a regra do octeto. É preciso receber um elétron de um outro átomo de lício (cuja ligação covalente deve ser quebrada) para completar os oito Es da impureza, aparecendo uma L no lício (daí o nome impureza aceitadora de elétrons provenientes da ). recebe lacunas, daí o nome tipo p. 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 Es para realizar as ligações covalentes com os átomos de lício vizinhos, sobrando um E. O átomo pentavalente fica com nove Es, desrespeitando a regra do octeto. É preciso doar um elétron para a (daí o nome impureza doadora de elétrons para a ). recebe o elétron, daí o nome tipo n. impureza do tipo n mais empregada é o Fósforo. O átomo de impureza que doa o elétron para a 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 1s 2, 2s 2, 2p 1 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 3 Elétrons nas camadas 2, 3 2, 8, 5 Tabela 4.1 Características do Boro e do Fósforo. Tipo p Tipo n Impureza (ação) ceitadora Doadora Impureza (valência) Trivalente Pentavalente Impureza (família) 3 5 Impureza (característica) metal Metal Impureza (maior uso) Boro Fósforo ntes da ionização 7 Es 9 Es pós a ionização 8 Es 8 Es Íon formado Ânion Cátion Portador majoritário L E 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. pós a ionização, as impurezas (tipo p ou n) ficam com oito Es, tornando-se ânions (3) ou cátions (5). Os átomos de impureza (íons) pertencem à rede cristalina e são fixos. Os átomos de lício estão todos lado a lado na estrutura cristalina e a ligação rompida pode se mover aleatoriamente em qualquer direção, as Ls são móveis, muito embora os átomos sejam fixos. Diferentemente, os átomos de impureza não estão todos lado a lado, há muitos átomos de lício entre os de impureza, impedindo que os íons (cátions ou ânions) de impureza se movam. Os íons de impureza são cargas fixas. 32 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

3 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/ PROCESSO DE DOPGEM O 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 impureza não exerce ação de dopagem sobre o comportamento do semicondutor (não há formação de portadores nem de íons), embora sua presença possa causar alguma deformação local na rede. Para que a impureza aja como dopante, é necessário que ela ocupe uma posição substitucional, 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 dopantes. 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 lício devem rearranjarse de modo que os átomos de impureza se acomodem e 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 conjunto com outro processo térmico, como, por exemplo, uma oxidação. s 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. 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. vantagem deste método é a obtenção de cristais com menos defeitos, além de proporcionar um recozimento parcial ou total, que desfaz defeitos prévios. desvantagem é que o alto aquecimento por um período prolongado provoca a difusão de elementos que formam camadas criadas em etapas 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 neutras não podem ser aceleradas por um campo elétrico), em um ângulo específico; este ângulo controla a profundidade do poço. O átomo de impureza penetra nos espaços vazios do cristal e, após sofrer várias colisões com átomos de lício, perde sua energia cinética e alojase em algum local do cristal (interstício). vantagem deste método é a anisotropia, ou seja, consegue-se fazer poços profundos e estreitos (sem espalhamento lateral). desvantagem é que as colisões provocam defeitos na rede cristalina (os choques inelásticos provocam o ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 33

4 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 desprendimento de alguns átomos de lício 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. inserção de impurezas é feita através de processos metalúrgicos sofisticados e não se limita, apenas, à industra de semicondutores. É possível inserir quantidades variadas de impurezas. 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 parâmetro de grande importância na construção de dispositivos semicondutores. s câmaras de difusão térmica permitem o controle deste parâmetro por meio do tempo de exposição, da pressão, da temperatura, dos componentes da solução gasosa e do uso de máscaras, geralmente formadas por óxido de lício. 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 nisotrópica 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 defeitos na rede cristalina. Esses dois fenômenos ocorrem de forma simultânea. s lâminas de lício, 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 lício intrínseco têm pouca ou nenhuma serventia para fins eletrônicos semicondutor tipo p semicondutor tipo n Figura 4.1 Representação dos portadores no semicondutor dopado. 34 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

5 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 Elétron proveniente do lício Ânion Impureza tipo p B P L Dopagem tipo p Dopagem tipo n Figura 4.2 Efeito da dopagem. Impureza tipo n E Cátion 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 lício (geração térmica) Por maior que seja o nível de dopagem, sempre há muito mais átomos de lício 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 lício. O átomo de lício 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 lício formam portadores. carga do íon fica aprisionada na rede cristalina, não pode se mover. 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: N N D DOP( N ) NDOP( P) ND N N N N N N N N NDOP(N,P) : Nível de dopagem do semicondutor n ou p N : Número de átomos de lício ND, : Número de átomos de impureza doadora ou aceitadora No semicondutor intrínseco, os portadores p e os portadores n existem em igual quantidade. 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 D ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 35

6 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 portador encontrado em menor quantidade recebe o nome de portador minoritário (minor carrier) (Pmin). diferença entre a quantidade de Pmajs e Pmins é tão maior quanto for o nível de dopagem. Ls: portadores p Es: portadores n Tipo p Tipo n Pmaj L E Pmin E L Tabela 4.4 Os tipos de portadores nos semicondutores. 4.3 IONIZÇÃO NO SEMICONDUTOR DOPDO O átomo de impureza pode ser encontrado em uma situação especial na qual o elétron fica em uma órbita um pouco menos energética que a (impureza doadora) ou a lacuna fica numa órbita um pouco menos energética que a (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 semicondutor, 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. tivo não ionizado: Ocupa posição substitucional mas não gera portador. tivo ionizado Ocupa posição substitucional e gera portador. Ionização da impureza doadora: Quando um átomo de impureza doadora (tipo n, pentavalente) a exemplo do Fósforo é adicionado ao semicondutor, as quatro ligações covalentes com átomos de lício são realizadas, após as quais o E restante na impureza vai para uma órbita mais energética (para o elétron) do que a, ficando, porém, ainda preso ao átomo de impureza por meio de uma órbita de grande raio e pequena atração eletrostática. energia empregada na elevação deste elétron do átomo de impureza para esta órbita mais energética provém do processo de recozimento. O átomo de impureza doadora ainda não é um cátion, pois ainda possui todos seus nove E 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 tornese livre, indo para a, transformando o átomo de impureza doadora em cátion e o elétron em um E. Esta órbita mais energética do que a órbita de valência possui um nível de energia intermediário, um pouco menor do que o da (para o elétron) e muito maior do que o da, é chamada de órbita doadora e sua faixa de energia é chamada de banda doadora. Ionização da impueza aceitadora: Quando um átomo de impureza aceitadora (tipo p, trivalente) a exemplo do Boro é adicionado ao semicondutor, as três ligações covalentes com átomos de lício são realizadas, faltando um elétron para formar a quarta ligação. O átomo de impureza aceitadora ainda não é um ânion, pois ainda possui sua lacuna. É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia (EG()). Este elétron é, então, retirado de um átomo de lício, formando a quarta ligação covalente, ficando a impureza com oito elétrons na. transformando o átomo de impureza aceitadora em íon negativo. 36 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

7 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia (EG()) para que surja uma L no lício. Esta órbita intermediária, um pouco menos energética do que a (para a lacuna), é chamada de banda aceitadora B. Órbita de valência Órbita doadora Ligação covalente ionização E lício K L Figura 4.3 Ionização da impureza doadora. Dopagem e ativação ionização recombinação energia Figura 4.4 s 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 átomos de lício são realizadas, após as quais o átomo de lício vizinho torna-se propenso a perder um de seus Es para que o átomo de impureza complete os oito Es. Um E de um átomo de lício adjacente, durante o processo de dopagem, é promovido para uma banda mais elevada de energia. energia empregada na elevação deste elétron do átomo de lício 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 Es, e o elétron na órbita externa do lício não é um portador, pois está preso em sua órbita. É necessário o acréscimo de uma pequena quantidade de energia de natureza termodinâmica (EG()) para que este elétron desprenda-se do átomo de lício, saia de sua órbita e migre para a impureza aceitadora, transformando o átomo de impureza em ânion. No instante em que esta troca ocorre, forma-se uma L no átomo de lício de doou o elétron. O elétron recebido pela impureza está preso ao átomo, em uma órbita um pouco maior do que a, esta órbita possui um nível de energia intermediário, muito menor do que o da (para o elétron) e um pouco maior do que o da e é chamada de órbita aceitadora, sua faixa de energia é chamada de banda aceitadora B. ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 37

8 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 Órbita de valência Órbita aceitadora Ligação covalente ionização Figura 4.5 Ionização da impureza aceitadora L lício Tanto a L formada no semicondutor tipo p como o E formado no semicondutor tipo n vagueiam pelo cristal de lício, aumentando a condutividade do semicondutor. Tipo n: órbita doadora é ocupada pelo elétron que o átomo de impureza doa para o lício durante a ionização. órbita doadora existe somente em semicondutor tipo n. é preenchida por Es provenientes das impurezas ionizadas e vagueiam pelos átomos de lício. é preenchida por elétrons em excesso dos átomos de impureza não ionizados, elétrons que não puderam realizar ligação covalente com elétrons do lício e, por isso, se energizaram. Tipo p: órbita aceitadora é ocupada pelo elétron do lício que o átomo de impureza aceita durante a ionização. órbita aceitadora existe somente em semicondutor tipo p. é preenchida por Ls provenientes das impurezas ionizadas e vagueiam pelos átomos de lício. B é preenchida por elétrons doados pelos átomos de lício aos átomos de impurezas ionizados, elétrons cuja migração para a impureza forma lacunas no lício. EG(D) E lício Dopante Energia elétrons B EG() E lício Dopante Energia lacunas B tipo n tipo p E C EG() tipo p Figura 4.6 Níveis de energia. Energia lacunas Dopante lício B s figuras e B, acima, ilustram a equivalência entre as dopagens n e p. mbas 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. No 38 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

9 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 tipo p, a lacuna que sobra devido à ligação covalente não formada é promovida para uma banda de energia mais elevada, a B. figura B, embora seja análoga à figura, 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. temperatura exerce papel fundamental no índice de ionização (tanto da impureza como do lício), porém a energia necessária para ionizar um átomo de lício 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 durante a fabricação do mesmo. O bandgap da ionização da impureza é muito menor do que o do lício. impureza é muito mais sensível à temperatura do que a do lício. diferença energética entre a e a é chamada de energia de ionização de impureza doadora (EG(D)), uma característica da impureza doadora. Ocorre no semicondutor n. diferença energética entre a B e a é chamada de energia de ionização de impureza aceitadora (EG()), uma característica da impureza aceitadora. Ocorre no semicondutor p. diferença energética entre a e a ou entre a B e a 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 (D,) a porcentagem de átomos de impureza que se ionizaram. O D, é diretamente proporcional à temperatura e inversamente proporcional a EG(D,) e o número total de átomos (densidade ou nível de dopagem). Quanto maior for a temperatura, maior é D,. Como EG(D,) é muito inferior a EG(), D, é bastante superior a. À temperatura ambiente, poucos átomos de lício encontram-se ionizados, mas quase todos os de impureza se ionizam. pesar de D, >>, há muito mais átomos de lício do que de impureza, de modo que a ionização do lício é relevante, mesmo com baixo índice. O D, é definido pela fórmula: D NiD Ni Nc D D Ni Ni Nc D, : Índice de ionização do dopante NiD, : Número de átomos de dopante ionizados NcD, : Número de átomos de dopante combinados D Como D, vale quase 100% na temperatura ambiente, NcD, pode ser aproximado para zero e NiD, pode ser aproximado para ND,, o nível de dopagem. ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 39

10 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 O semicondutor dopado pode ser analisado sob três temperaturas: 0K Baixa temperatura Temperaturaa ambiente Tipo P 0K Baixa temperatura Tipo P Temperaturaa ambiente Tipo P Elétron Lacuna B B Figura 4.7 Ionização do dopante (análise correta). B Zero Kelvin: Nesta situação, não há entropia nos átomos, não há energia para ionizar nenhum átomo, todos átomos de impureza encontram-se combinados, D, = 0%, NiD, = 0. Baixa temperatura: lguns átomos de impureza se ionizam, há pouca diferença entre as quantidades de portadores dos tipos p e n, o efeito da dopagem é pequeno. lta temperatura: Todos os átomos de impureza se ionizam, tem-se o máximo efeito de dopagem para o nível de dopagem aplicado, D, = 100%. temperatura ambiente faz o semicondutor dopado chegar próximo a esta situação. migração do elétron da para a ocorre quando o átomo de Fósforo doa um elétron para a rede cristalina. pertence ao Fósforo, a pertence ao lício. migração do elétron da para a B ocorre quando o átomo de Boro recebe um elétron da a rede cristalina, quebrando uma ligação covalente e gerando uma lacuna. B pertence ao Boro, a pertence ao lício. Também é possível analisar o semicondutor p por meio da consideração das fictícias lacunas na B (como a lacuna é definida como ligação covalente rompida, não há lacunas na B); 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 D,. O índice de ionização também é função do nível de dopagem, quanto maior for NDOP, menor é D,, pois a mesma energia fornecida é distribuída entre um número maior de átomos. t D, N DOP( N, P) D, 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 Es. 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. No semicondutor p, à temperatura de 0K, a 40 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

11 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 banda aceitadora está vazia, pois todos os elétrons necessários para que os átomos de impureza fiquem com oito Es ainda estão presos aos átomos de lício. 0K Baixa temperatura Temperaturaa ambiente B B B Elétron Lacuna 0K Baixa temperatura Temperaturaa ambiente 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 lício, gerando o par elétron-lacuna (E-L). Ionização dos átomos de impureza, gerando o par Pmaj-íon. o Impureza doadora: E-cátion o Impureza aceitadora: L-ânion Enquanto a ionização do lício 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 lício Geração e recombinação da impureza Geração do lício: Recombinação do lício: E-L E-L E-L E-L O E ou a L 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 lício, transformam-se em íons. Tal como ocorre com o lício, há formação do par íon-portador. Ionização de impureza doadora: E - átomo neutro E - cátion Recombinação de impureza doadora: E - cátion E - átomo neutro Ionização de impureza aceitadora: LB - átomo neutro L - ânion Recombinação de impureza aceitadora: L - ânion LB - 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 ( ou B). 0K, todos os elétrons a mais do semicondutor n estão na (Es) e todas as lacunas a ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 41

12 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 mais do semicondutor p estão na B (LBs fictícias). media em que a temperatura vai aumentando, estes elétrons e lacunas vão se desprendendo de seus respectivos átomos. diferença entre a energia da e a no semicondutor n é muito menor que a diferença entre a energia da e a. diferença entre a energia da B e a no semicondutor p é muito menor que a diferença entre a energia da e a. Na ionização do lício, o átomo fica com sete Es, uma condição instável, altamente energética e, na ionização de impureza, o átomo fica com oito Es, uma situação estável, de baixa energia. ionização do lício requer muito mais energia do que a ionização da impureza, a energia de ionização do lício é muito mais alta que a energia de ionização da impureza. Uma vez que o índice de ionização é inversamente proporcional à energia de ionização (EG), o D, é muito maior que o. D, 1 * E, GD, G D EGD, ND, Definem-se o índice de ionização relativo (R) como sendo: 4.4 PORTDORES E R Definem-se a variável PN,P como sendo a quantidade de Pmajs negativos e positivos, respectivamente, provenientes da ionização da impureza e do lício. P P N P D ND N N N ionização do lício cria alguns pares Pmajs-Pmins. pesar do índice de ionização da impureza ser muito maior do que o do lício (D, >> ), a quantidade de átomos de lício é muito maior do que a de impureza (ND, << N), o que faz com que a quantidade de portadores existentes devido à geração do lício 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 lício. Se o semicondutor é impuro, ou seja, possui um segundo tipo de impureza, complementar, parte dos Pmins são criados pela ionização desta outra impureza. Esta possibilidade não é considerada nos demais capítulos. Levando-se em conta que D, >>, quase todos os átomos de impureza encontram-se ionizados e quase todos os átomos de lício encontram-se combinados à temperatura ambiente. O aumento da temperatura aumenta o em uma taxa muito maior que a de D,. o dopar um semicondutor, aparecem impurezas indesejáveis, com características diferentes daquela com a qual a dopagem é feita - impureza majoritária. s impurezas indesejáveis podem ter característica doadora ou aceitadora. Quando sua característica for a mesma da dopagem, não há grandes problemas, porém, quando sua característica é oposta (impureza minoritária), muitos problemas surgem. s impurezas majoritárias formam pares Pmajs-ions; estes íons existem em grande quantidade - íons majoritários. s 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 lício Os Pmajs criados pela ionização de impureza majoritária D, 42 ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos

13 Capítulo 4 Semicondutor Extrínseco Prof. Marco urélio Fregonezi 20/09/2017 Há dois tipos de Pmins: Os Pmins criados pela ionização do lício 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 lício. 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 (E) Corrente de lacunas (L) Fluxo de Pmin Corrente de lacunas (L) Corrente de elétrons (E) Tabela 4.6 Fluxos de portadores. Os Pmajs na dopagem n (Es, cargas negativas móveis) são muito mais rápidos que os Pmajs na dopagem p (Ls, cargas positivas móveis), pois os Es são partículas soltas no espaço, enquanto que as Ls são ligações covalentes rompidas, o fluxo de Ls requer a contínua quebra e reconstrução de ligações covalentes. Uma vez que o semicondutor p possui, como Pmaj, a L, 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 lício, o par E-L pode ser considerado como um par E-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). ENT 200 Materiais Elétricos e Magnéticos 43