Baixe Dopagem de Semicondutores: Impurezas e Portadores e outras Notas de estudo em PDF para Energia, somente na Docsity!
Capítulo 4 – SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO
4. 1 INTRODUÇÃO
O semicondutor intrínseco apresentado no capítulo anterior não tem utilidade para aplica-
ções em eletrônica, pois a quantidade de EBC s e LBV s 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 ( LBV s) e negati-
vas ( EBC s) 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 EBC s e LBV s, 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 (
EBV s). 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 (
EBV s). 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 EBV s para realizar as liga-
ções covalentes com os átomos de Silício vizinho, faltando um EBV. O átomo trivalente fica com
sete EBV s, 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 EBV s 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 EBV s para realizar as
ligações covalentes com os átomos de Silício vizinhos, sobrando um EBV. O átomo pentavalente
fica com nove EBV s, 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,
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) Aceitadora Doadora
Impureza (valência) Trivalente Pentavalente
Impureza (família) 3A 5A
Impureza (característica) Ametal Metal
Impureza (maior uso) Boro Fósforo
Antes da ionização 7 EBV s 9 EBV s
Após a ionização 8 EBV s 8 EBV s
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 EBV s, 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 LBV s 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.
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 pressão,
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:
A Si
A DOPP D Si
D DOP N N N
N
N
N N
N
N
( )^ ( )
Si A
Si D
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
- 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 EBV s para que o átomo de impureza complete os oito EBV s. 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 EBV s, 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 valência
Órbita 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 EBC s 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 LBV s 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 p
B
Silício
Dopante
Energia lacunas
E
BC
BA BV
EG(A)
tipo p
C
Dopante
Silício
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 dopagem 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.
t iiD , A 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 EBV s. 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 EBV s 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 ( EBD s) 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
Há dois tipos de Pmin s:
- Os Pmin s criados pela ionização do Silício
- Os Pmin s 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 Pmaj s criados pela ionização de impureza.
Podem-se distinguir dois tipos de fluxo num semicondutor dopado:
- Fluxo de Pmaj s
- Fluxo de Pmin s
Quando se aplica uma corrente elétrica por meio de uma fonte, estes fluxos têm sentidos
opostos. Como os Pmaj s e os Pmin s 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 Pmaj s na dopagem n ( EBC s, cargas negativas móveis) são muito mais rápidos que os
Pmaj s na dopagem p ( LBV s, cargas positivas móveis), pois os EBC s são partículas soltas no espaço,
enquanto que as LBV s são ligações covalentes rompidas, o fluxo de LBV s 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 Pmaj s possuam todos o mesmo sinal (o mesmo ocorrendo com os Pmin s), 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,
Pmaj s e Pmin s 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).
