Disciplina - Química

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Como Ocorre a Dopagem em Semicondutores


Recorte da Tabela Periídica como os elementos dos grupos 15, 16, 17.
O carbono, o silício e o germânio (que assim como o silício, também é um semicondutor) possuem uma propriedade única em sua estrutura de elétrons, cada um possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando um reticulado. No carbono a forma cristalina é o diamante. No silício é uma substância metálica prateada.
Imagem representando uma estrutura reticular cristalina de Silício
Metais tendem a ser bons condutores de eletricidade, já que normalmente possuem "elétrons livres", que conseguem se mover facilmente entre os átomos e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Apesar de os cristais de silício terem aparência metálica, não são, de fato, metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, muito pouca eletricidade passa por ele.

É possível alterar o comportamento do silício e transformá-lo em um condutor dopando-o. Na dopagem, mistura-se uma pequena quantidade de impurezas a um cristal de silício.

Existem dois tipos de impurezas:

Tipo N - Na dopagem tipo N, o fósforo ou o arsênico é adicionado ao silício em pequenas quantidades. O fósforo e o arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres o suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo silício. O silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N.
Representação do estrutura eletrônica do material de Silício dopado com Fósforo Representação do estrutura eletrônica do material de Silício dopado com Arsênio
Tipo P - Na dopagem tipo P, o boro (em inglês) ou o gálio (em inglês) é o dopante. O gálio e o boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam "buracos" ou "lacunas" na treliça e um elétron do silício não tem a que se ligar. A ausência de elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Lacunas podem conduzir corrente. Uma lacuna aceita muito bem um elétron de um vizinho, movendo a lacuna em um espaço. O silício tipo P é um bom condutor.
Representação do estrutura eletrônica do material de Silício dopado com Alumínio Representação do estrutura eletrônica do material de Silício dopado com Boro
Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de silício de bom isolante a um condutor viável, mas não excelente - daí o nome "semicondutor".

Os silícios tipo N e tipo P não são tão impressionantes sozinhos; mas quando você os coloca juntos, consegue um comportamento bem interessante na união dos dois.

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível.

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