O que é semicondutor – Propriedades dos 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 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 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. Para entender o que é semicondutor, precisamos definir esses termos.

Propriedades dos semicondutores

Para entender a diferença entre metais , semicondutores e isoladores elétricos , precisamos definir os seguintes termos da física do estado sólido:

• Valence Band . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Banda de condução . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Em isoladores elétricos e semicondutores, a banda de condução é a faixa mais baixa de estados eletrônicos vazios . Em um gráfico da estrutura da banda eletrônica de um material, a banda de valência está localizada abaixo do nível de Fermi, enquanto a banda de condução está localizada acima dela. Nos semicondutores, os elétrons podem atingir a banda de condução quando são excitados , por exemplo, por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o _intervalo E) Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Band Gap . Na física do estado sólido, o gap de energia ou o gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados dos 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 folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.
• Nível Fermi . O termo “nível de Fermi” vem das estatísticas de Fermi-Dirac , que descrevem uma distribuição de partículas sobre os estados de energia em sistemas que consistem em férmions (elétrons) que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Como eles não podem existir em estados de energia idênticos, o nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta . O nível Fermi é a superfície do mar Fermino zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Nos metais, o nível de Fermi está na banda de condução hipotética, dando origem a elétrons de condução livre. Nos semicondutores, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.
• Par de orifício de elétron . No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, portadores de carga livre (pares elétron-buraco) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Os furos podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

Excitação Eletrônica em Semicondutores

A energia para a excitação pode ser obtida de diferentes maneiras.

Excitação Térmica

Pares de elétron-buraco também são constantemente gerados a partir de energia térmica, na ausência de qualquer fonte de energia externa. A excitação térmica não requer nenhuma outra forma de impulso inicial. Este fenômeno ocorre também à temperatura ambiente. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante. Depende fortemente do _intervalo E (uma distância entre a valência e a banda de condução), de modo que, no _intervalo E mais baixoum número de portadores de carga excitados termicamente aumenta. Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio). Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo grande intervalo de banda de silício (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas o resfriamento é preferido para reduzir o ruído.

Excitação óptica

Observe que a energia de um único fóton de espectro de luz visível é comparável com essas lacunas de banda. Fótons de comprimento de onda 700 nm – 400 nm têm energias de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, também a luz visível é capaz de excitar elétrons na banda de condução. Na verdade, esse é o princípio dos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica.

Excitação por radiação ionizante

Os elétrons podem alcançar a banda de condução quando são excitados por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o Egap). Em geral, partículas carregadas pesadas transferem energia principalmente por:

• Excitação. A partícula carregada pode transferir energia para o átomo, elevando os elétrons para níveis mais altos de energia.
• Ionizacao. A ionização pode ocorrer quando a partícula carregada possui energia suficiente para remover um elétron. Isso resulta na criação de pares de íons na matéria circundante.

Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe . Para partículas alfa e partículas mais pesadas, o poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas carregadas pesadas e essas partículas têm faixas muito curtas.

Além dessas interações, as partículas beta também perdem energia pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa. Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.

• Efeito fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção de pares

Em todos os casos, uma partícula de radiação ionizante deposita uma parte de sua energia ao longo de seu caminho. As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . Por exemplo, a espessura típica do detector de silício é de cerca de 300 µm, de modo que o número de pares de elétrons-buraco gerados pela partícula ionizante mínima (MIP) que passa perpendicularmente ao detector é de cerca de 3,2 x 10 ⁴ . Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres no semicondutor intrínseco de uma superfície de 1 cm ² e a mesma espessura. Observe que uma amostra de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 1,26 × 10 ²¹ átomos, mas também contém 7,5 x 10 ¹¹elétrons livres e 7,5 x 10 ¹¹ buracos gerados constantemente a partir de energia térmica . 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 ¹⁵ 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. O resfriamento do semicondutor é uma maneira de diminuir essa proporção.

A melhoria pode ser alcançada com o uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadores livres, que é o princípio dos detectores de radiação com mais silício. 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.