NOÇÕES BÁSICAS SOBRE SEMICONDUTORES - Parte IV

IMPUREZAS DADORAS (SEMICONDUTOR DO TIPO "N")

São elementos que possuem 5 electrões de valência (pentavalentes), como por exemplo o

Antimónio, o Arsénio e o Fósforo. Se, por exemplo, introduzirmos por processos químicos um átomo de Arsénio num cristal de Germânio puro, aquele combinará perfeitamente com 4 átomos de Germânio que se situem próximos, unindo-se a eles por outras tantas ligações covalentes. Como o cristal já tem todas as restantes ligações completas, o quinto electrão do arsénio fica livre no interior da estrutura molecular, embora ligado ao seu átomo, cujo núcleo o atrai muito debilmente.

Efeito das impurezas dadoras num semicondutor.

Efeito das impurezas dadoras num semicondutor.

Se se aplicar uma tensão eléctrica ao cristal, o electrão livre sem ligação  desprende-se em direcção ao polo positivo da fonte de alimentação. Contudo, o átomo de Arsénio persiste em
manter o seu equilíbrio eléctrico e serve-se da sua carga positiva para atrair um electrão de valência a um átomo vizinho.
 Este, por seu turno, apropria-se doutro e assim sucessivamente, até ao polo negativo da fonte de alimentação, que restitui ao cristal o electrão que absorveu ao borne positivo.

  IMPUREZAS ACEITADORAS (SEMICONDUTOR DO TIPO "P")

São compostas por elementos trivalentes (3 electrões de valência), como o Alumínio, o índio, o Gálio e o Boro. Quando se introduzem na estrutura cristalina de um semicondutor puro, ficará por preencher uma ligação covalente.

Efeito das impurezas aceitadoras
num semicondutor.

Por exemplo, um átomo de Alumínio introduzido no seio de uma pastilha de Silício puro, une-se por ligações covalentes a três átomos de Silício. Naturalmente que um dos
átomos de Silício não efectuará a correspondente ligação covalente por falta de um electrão.

 Como o cristal, no seu conjunto, tende a manter o equilíbrio eléctrico, a falta de um electrão
converte o átomo num ião monoposítivo, pelo que a carga positiva adicional, supostamente localizada frente ao electrão sem ligação, é uma lacuna.

Quando se aplica uma tensão eléctrica a este cristal de Silício dopado com impurezas aceitadoras, verifica-se que o excesso de carga positiva, ou seja, as lacunas, tendem a mover-se em direcção ao polo negativo da fonte de alimentação. Para tal, vão retirar electrões de valência às ligações covalentes mais próximas. Como resultado, nestas ligações covalentes ficam agora depositadas as cargas positivas que, por sua vez, atraiem novos
electrões de outras ligações, repetindo-se sucessivamente este processo.
Temos, portanto, um movimento de lacunas em direcção ao polo negativo da fonte de alimentação.

Por aqui se vê que a acção das impurezas aceitadoras num semicondutor puro é complementar à das impurezas dadoras, já que aquelas vão contribuir para o aparecimento de lacunas na estrutura sem impor a consequente formação de electrões livres.

A condutividade de um cristal depende do número de portadores de carga que contém. É tanto mais condutor quanto maior for o número de impurezas de um só tipo que contiver.
A circulação da corrente eléctrica nestes cristais de tipo P e tipo N pode ter origem em dois processos distintos que se denominam por correntes de deriva e correntes de difusão.

CORRENTES DE DERIVA 

 

Se não se aplicar qualquer tensão eléctrica às extremidades de um cristal semicondutor, o movimento dos portadores de carga (electrões livres e lacunas) é perfeitamente aleatório e está sujeito a constantes choques no interior da estrutura molecular. É um movimento motivado pela agitação térmica das cargas e que não provoca qualquer corrente eléctrica. Ao aplicar-se uma tensão nas extremidades do semicondutor promove-se a existência de um
campo eléctrico bem definido que origina o movimento dos portadores de carga sob a sua acção, dando origem a uma corrente eléctrica. Quanto mais elevada for a intensidade desse campo, maiores serão as forças a que ficam sujeitos esses portadores (ver figura seguinte).  

Trajectórias dos portadores de carga num semicondutor quando está electricamente neutro
(I) e quando se lhe aplica uma determinada tensão (II).

CORRENTES DE DIFUSÃO

São motivadas pelas diferentes concentrações de portadores existentes em zo-
nas opostas do semicondutor.
Tanto os electrões livres como as lacunas obedecem ao mesmo princípio,
pelo qual não ficam concentradas num só lugar do cristal. Ao invés dis-
so, tendem a difundir-se das regiões de grande concentração para as de


menor. Para melhor imaginar este movimento de cargas, podemos-lhe dizer
que é semelhante ao da lenta dispersão de uma gota de tinta azul entorna-
da numa bacia de água. 

Efeito das correntes de difusão num semicondutor, pelas quais as cargas móveis se espalham
por todas as partes

 Concluindo:
Para um semicondutor cujas concentrações de impurezas dadoras e aceitadoras estejam distribuídas não uniformemente ao longo do cristal, obtêm-se dois tipos de correntes eléctricas quando aplicada uma dada tensão aos seus terminais.