O que é o tipo de semicondutores – definição

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.

Tipos de semicondutores

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:

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  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 para o silício 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) nos 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.

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  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 brilhante, 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 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 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.
• CdTe e CdZnTe. O telureto de cádmio (CdTe) e o telureto de cádmio e zinco (CdZnTe) foram considerados como materiais semicondutores promissores para a 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 energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,44 eV) permite operar o detector à temperatura ambiente. Por outro lado, uma quantidade considerável de perda de carga nesses detectores produz uma resolução de energia reduzida.

Semicondutor intrínseco – 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.

O 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 extrínsecos – 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:

• Semicondutores do tipo n.
• Semicondutores do tipo p.

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.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doadores. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco de elétrons) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade de carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas faixas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

A junção PN – junção polarizada reversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadoras livres, que é o princípio da maioria dos detectores semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio têm uma estrutura de pinosem que a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. Nesse caso, a tensão negativa é aplicada no lado p e positiva no segundo. Os furos na região p são atraídos da junção em direção ao contato p e da mesma forma para os elétrons e o contato n. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido, é convertida em um pulso de tensão por um pré-amplificador sensível à carga integral.

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.