O que é semicondutor intrínseco e semicondutor extrínseco - faixa de energia e doping?

Semicondutor, como o nome sugere, é um tipo de material que apresenta propriedades tanto de condutores quanto de isoladores. Um material semicondutor requer um certo nível de voltagem ou calor para liberar seus portadores para condução. Esses semicondutores são classificados como 'intrínsecos' e 'extrínsecos' com base no número de portadores. O portador intrínseco é a forma mais pura de semicondutor e um número igual de elétrons (portadores de carga negativa) e lacunas (portadores de carga positiva). Os materiais semicondutores mais profundamente usados ​​são o silício (Si), o germânio (Ge) e o arsenieto de gálio (GaAs). Vamos estudar as características e o comportamento desses tipos de semicondutores. O que é um semicondutor intrínseco? O semicondutor intrínseco pode ser definido como um material quimicamente puro sem qualquer dopagem ou impureza adicionada a ele. Os semicondutores intrínsecos ou puros mais comumente conhecidos disponíveis são o silício (Si) e o germânio (Ge). O comportamento do semicondutor ao aplicar uma determinada voltagem depende de sua estrutura atômica. A camada mais externa do silício e do germânio tem quatro elétrons cada. Para estabilizar uns aos outros, os átomos próximos formam ligações covalentes com base no compartilhamento de elétrons de valência. Esta ligação na estrutura cristalina do silício é ilustrada na figura 1. Aqui pode ser visto que os elétrons de valência de dois átomos de Si formam uma ligação covalente. Figura 1. Ligação covalente do átomo de silício. Todas as ligações covalentes são estáveis ​​e não há portadores disponíveis para condução. Aqui, o semicondutor intrínseco se comporta como um isolante ou não condutor. Agora, se a temperatura ambiente se aproximar da temperatura ambiente, as ligações covalentes começam a se quebrar. Assim, os elétrons da camada de valência são liberados para participar da condução. Conforme mais número de portadores é liberado para condução, o semicondutor começa a se comportar como um material condutor. O diagrama de banda de energia dado abaixo explica esta transição de portadoras da banda de valência para a banda de condução. O diagrama de banda de energia O diagrama de banda de energia mostrado na figura 2 (a) descreve dois níveis, Banda de condução e Banda de valência. O espaço entre as duas bandas é chamado de lacuna proibida Figura 2 (a). Figura do diagrama de banda de energia Figura 2 (b). Elétrons da banda de condução e valência em um semicondutor Quando um material semicondutor é submetido ao calor ou à tensão aplicada, poucas ligações covalentes se rompem, o que gera elétrons livres conforme mostrado na figura 2 (b). Esses elétrons livres ficam excitados e ganham energia para superar a lacuna proibida e entrar na banda de condução a partir da banda de valência. À medida que o elétron sai da banda de valência, ele deixa um buraco na banda de valência. Em um semicondutor intrínseco, sempre um número igual de elétrons e lacunas será criado e, portanto, ele exibe neutralidade elétrica. Tanto os elétrons quanto os buracos são responsáveis ​​pela condução da corrente no semicondutor intrínseco. O que é um semicondutor extrínseco? O semicondutor extrínseco é definido como o material com uma impureza adicionada ou semicondutor dopado. Dopagem é o processo de adição deliberada de impurezas para aumentar o número de portadores. Os elementos de impureza usados ​​são denominados dopantes. Como o número de elétrons e lacunas é maior no condutor extrínseco, ele exibe maior condutividade do que os semicondutores intrínsecos. Com base nos dopantes usados, os semicondutores extrínsecos são ainda classificados como 'semicondutores do tipo N' e 'semicondutores do tipo P'.Semicondutores do tipo N: Os semicondutores do tipo N são dopados com impurezas pentavalentes. Os elementos pentavalentes são chamados assim porque têm 5 elétrons em sua camada de valência. Os exemplos de impurezas pentavalentes são Fósforo (P), Arsênio (As), Antimônio (Sb). Conforme ilustrado na figura 3, o átomo dopante estabelece ligações covalentes compartilhando quatro de seus elétrons de valência com quatro átomos de silício vizinhos. O quinto elétron permanece fracamente ligado ao núcleo do átomo dopante. É necessária muito menos energia de ionização para liberar o quinto elétron, de modo que ele deixe a banda de valência e entre na banda de condução. A impureza pentavalente transmite um elétron extra para a estrutura da rede e, portanto, é chamada de impureza doadora.Figura 3. Semicondutor do tipo N com impureza doadora Semicondutores do tipo P: os semicondutores do tipo P são dopados com o semicondutor trivalente. As impurezas trivalentes têm 3 elétrons em sua camada de valência. Os exemplos de impurezas trivalentes incluem Boro (B), Gálio (G), Índio (In), Alumínio (Al). Conforme representado na figura 4, o átomo dopante estabelece ligações covalentes com apenas três átomos de silício vizinhos e um buraco ou vazio é gerado na ligação com o quarto átomo de silício. O buraco atua como um portador positivo ou espaço para o elétron ocupar. Assim, a impureza trivalente comunicou uma lacuna ou lacuna positiva que pode aceitar prontamente os elétrons e, portanto, é chamada de impureza aceitadora.  Figura 4. Semicondutor tipo P com o aceitador Concentração de portador de impureza no semicondutor intrínseco A concentração de portador intrínseco é definida como o número de elétrons por unidade de volume na banda de condução ou o número de buracos por unidade de volume na banda de valência. Devido à voltagem aplicada, o elétron deixa a banda de valência e cria um buraco positivo em seu lugar. Esse elétron entra ainda mais na banda de condução e participa da condução da corrente. Em um semicondutor intrínseco, os elétrons gerados na banda de condução são iguais ao número de buracos na banda de valência. Portanto, a concentração de elétrons (n) é igual à concentração de orifício (p) em um semicondutor intrínseco. A concentração de portador intrínseco pode ser dada como: n_i = n = p Onde, n_i: concentração de portador intrínseco n: concentração de portador de elétron p: orifício -portadora concentraçãoCondutividade do semicondutor intrínseco Como o semicondutor intrínseco é submetido ao calor ou à tensão aplicada, os elétrons viajam da banda de valência para a banda de condução e deixam um buraco positivo ou vazio na banda de valência. Novamente, esses buracos são preenchidos por outros elétrons à medida que mais ligações covalentes são quebradas. Assim, os elétrons e os buracos viajam na direção oposta e o semicondutor intrínseco começa a conduzir. A condutividade aumenta quando um número de ligações covalentes são quebradas, portanto, mais elétrons são orifícios são liberados para a condução. A condutividade de um semicondutor intrínseco é expressa em termos de mobilidade e concentração dos portadores de carga. A expressão para a condutividade de um semicondutor intrínseco é dada expressa como: σ_i = n_i e (μ_e + μ_h) Onde σ_i: condutividade de um semicondutor intrínseco semicondutor n_i: concentração intrínseca de portadores μ_e: mobilidade de elétrons μ_h: mobilidade de orifícios Consulte este link para saber mais sobre a Teoria de Semicondutores MCQs

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