O que é material semicondutor – Semicondutor puro e dopado – Definição

Existem muitos materiais semicondutores na natureza e outros sintetizados em laboratórios. Semicondutor Puro vs Semicondutor Dopado. Os mais conhecidos são o silício (Si) e o germânio (Ge). Dosimetria de Radiação
detector de tiras de silicone - semicondutores
Detector de tira de silício Fonte: micronsemiconductor.co.uk

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física de estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de conduçãoonde estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução.

Materiais semicondutores

Existem muitos tipos de semicondutores na natureza e outros sintetizados em laboratórios; no entanto, os mais conhecidos são silício (Si) e germânio (Ge).

Tipos de semicondutores:

  • silício - material semicondutor
    Silício purificado. Fonte: wikipedia.org Licença: Public Domain

    Silício. O silício é um elemento químico com número atômico 14, o que significa que existem 14 prótons e 14 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do silicone é Si . O silício é um sólido cristalino duro e quebradiço com um brilho metálico cinza-azulado, é um metalóide e semicondutor tetravalente. O silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,12 eV) permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. Os detectores baseados em silício são muito importantes na física de alta energia. Como os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.

  • Germânio - semicondutor
    12 gramas de germânio policristalino. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY 3.0

    Germânio. O germânio é um elemento químico com número atômico 32, o que significa que existem 32 prótons e 32 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do germânio é Ge . O germânio é um metalóide lustroso, duro, branco-acinzentado no grupo carbono, quimicamente semelhante aos vizinhos do grupo, estanho e silício. O germânio puro é um semicondutor com aparência semelhante ao silício elementar. O germânio é amplamente utilizado para espectroscopia de raios gama. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. O germânio é mais usado que o silício para detecção de radiação, porque a energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios é de 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio, o que fornece ao último uma melhor resolução em energia. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.

  • Diamond . O diamante é uma forma sólida do elemento carbono com seus átomos dispostos em uma estrutura de cristal chamada diamante cúbico. Os diamantes também são muito bons isoladores elétricos, o que estranhamente é útil e problemático para dispositivos elétricos. O diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Os detectores de diamante têm muitas semelhanças com os detectores de silício, mas espera-se que ofereçam vantagens significativas, em particular uma alta dureza de radiação e correntes de desvio muito baixas.
  • detectores semicondutores - tabela de parâmetrosCdTe e CdZnTe. O telureto de cádmio (CdTe) e o telureto de cádmio e zinco (CdZnTe) foram considerados como materiais semicondutores promissores para detecção de raios-X e raios gama. O alto número atômico e a alta densidade desses materiais significam que eles podem atenuar efetivamente raios X e raios gama com energias superiores a 20 keV que os sensores tradicionais à base de silício não conseguem detectar. Isso aumenta significativamente sua eficiência quântica em comparação com os baseados em silício. A grande energia de gap de banda (Egap = 1,44 eV) permite operar o detector em temperatura ambiente. Por outro lado, uma quantidade considerável de perda de carga nesses detectores produz uma resolução de energia reduzida.

Pure Semiconductor

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

semicondutores intrínsecosO número de portadores de carga em determinada temperatura é, portanto, determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas. Observe que uma amostra de 1 cm 3 de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 22 átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 13 elétrons livres e 2,5 x 10 13 orifícios. Esses transportadores de carga são produzidos por excitação térmica. Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de orifícios são iguais: n = p . Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétrons(geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. Essa igualdade pode até ser o caso após a dopagem do semicondutor, embora apenas se for dopada com doadores e aceitadores da mesma forma. Nesse caso, n = p ainda é válido e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado.

Os semicondutores têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. Na física do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar o espaço da banda e alcançar a banda de condução.

Semicondutores intrínsecos, no entanto, não são muito úteis, pois não são bons isolantes nem muito bons condutores. No entanto, uma característica importante dos semicondutores é que sua condutividade pode ser aumentada e controlada dopando com impurezas e bloqueando com campos elétricos. Lembre-se, uma amostra de 1 cm 3 de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 22 átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 13 elétrons livres e 2,5 x 10 13 buracos constantemente gerados a partir de energia térmica. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 5 pares de furos de elétrons . Este valor é menor em comparação com o número total de transportadoras gratuitas em um 1 cm 3semicondutor intrínseco. Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 17 electrões livres no mesmo volume e a condutividade eléctrica é aumentada por um factor de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. O doping e a passagem movem a banda de condução ou valência muito mais perto do nível de Fermi e aumentam bastante o número de estados parcialmente preenchidos.

Semicondutores dopados

Um semicondutor extrínseco , ou semicondutor dopado , é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. No caso de detectores semicondutores de radiação ionizante, o doping é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com o objetivo de alterar suas propriedades elétricas. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

A adição de uma pequena porcentagem de átomos estranhos na rede cristalina regular de silício ou germânio produz mudanças dramáticas em suas propriedades elétricas, uma vez que esses átomos estranhos incorporados na estrutura cristalina do semicondutor fornecem portadores de carga gratuitos (elétrons ou orifícios de elétrons) no semicondutor. Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos contaminantes estranhos na estrutura cristalina que fornecem principalmente os portadores de carga que transportam corrente elétrica através do cristal. Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

Os semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns, bem como de muitos detectores de radiação ionizante. Para esse propósito, um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) geralmente consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro.

 

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