O que são Silício Intrínseco e Silício Extrínseco

O que são Silício Intrínseco e Silício Extrínseco?

Silício Intrínseco

O silício é um elemento semicondutor vital. O silício é um material do grupo IV. Em sua órbita externa, ele possui quatro elétrons de valência, os quais estão unidos por ligações covalentes com os elétrons de valência de quatro átomos de silício adjacentes. Esses elétrons de valência não estão disponíveis para condução elétrica. Portanto, a 0oK, o silício intrínseco se comporta como um isolante. Quando a temperatura aumenta, alguns elétrons de valência rompem suas ligações covalentes devido à energia térmica. Isso cria uma vaga, conhecida como buraco, onde o elétron estava. Em outras palavras, em qualquer temperatura acima de 0oK, alguns dos elétrons de valência no cristal do semicondutor ganham energia suficiente para saltar da banda de valência para a banda de condução, deixando para trás um buraco na banda de valência. Esta energia é aproximadamente igual a 1,2 eV à temperatura ambiente (ou seja, a 300oK), o que é igual à energia da lacuna de banda do silício.

No cristal de silício intrínseco, o número de buracos é igual ao número de elétrons livres. Como cada elétron, quando deixa a ligação covalente, contribui com um buraco na ligação quebrada. A uma certa temperatura, novos pares elétron-buraco são continuamente criados pela energia térmica, enquanto um número igual de pares se recombina. Portanto, a uma determinada temperatura, em um certo volume de silício intrínseco, o número de pares elétron-buraco permanece o mesmo. Esta é uma condição de equilíbrio. Portanto, é evidente que, na condição de equilíbrio, a concentração de elétrons livres n e a concentração de buracos p são iguais entre si, e isso nada mais é do que a concentração intrínseca de portadores de carga (ni). Ou seja, n = p = ni. A estrutura atômica é mostrada abaixo.

Silício Intrínseco a 0oK

Silício Intrínseco à Temperatura Ambiente

Silício Extrínseco

O silício intrínseco pode ser transformado em silício extrínseco quando é dopado com uma quantidade controlada de dopantes. Quando é dopado com átomos doadores (elementos do grupo V), torna-se um semicondutor tipo n, e quando é dopado com átomos aceitores (elementos do grupo III), torna-se um semicondutor tipo p.

Suponha que uma pequena quantidade de elemento do grupo V seja adicionada a um cristal de silício intrínseco. Exemplos de elementos do grupo V são fósforo (P), arsênio (As), antimônio (Sb) e bismuto (Bi). Eles têm cinco elétrons de valência. Quando deslocam um átomo de Si, quatro elétrons de valência formam ligações covalentes com átomos vizinhos, e o quinto elétron, que não participa na formação da ligação covalente, está fracamente ligado ao átomo pai e pode facilmente sair do átomo como um elétron livre. A energia necessária para este propósito, ou seja, para liberar esse quinto elétron, é de cerca de 0,05 eV. Este tipo de impureza é chamado de doador, pois contribui com elétrons livres para o cristal de silício. O silício é conhecido como tipo n ou silício negativo, pois os elétrons são partículas carregadas negativamente.

O Nível de Energia de Fermi se move mais próximo à banda de condução no silício tipo n. Aqui, o número de elétrons livres aumenta sobre a concentração intrínseca de elétrons. Por outro lado, o número de buracos diminui em relação à concentração intrínseca de buracos, pois há maior probabilidade de recombinação devido à maior concentração de elétrons livres. Os elétrons são os principais portadores de carga.

Silício Extrínseco com Impureza Pentavalente

Se uma pequena quantidade de elementos do grupo III for adicionada a um cristal de semicondutor intrínseco, eles deslocarão um átomo de silício. Elementos do grupo III, como Al, B, In, têm três elétrons de valência. Estes três elétrons formam ligações covalentes com átomos vizinhos, criando um buraco. Estes tipos de átomos de impureza são conhecidos como aceitores. O semicondutor é conhecido como semicondutor tipo p, pois o buraco é considerado carregado positivamente.

Silício Extrínseco com Impureza Trivalente

O nível de energia de Fermi nos semicondutores tipo p se move mais próximo à banda de valência. O número de buracos aumenta, enquanto o número de elétrons diminui em comparação com o silício intrínseco. Nos semicondutores tipo p, os buracos são os principais portadores de carga.

Concentração Intrínseca de Portadores de Carga no Silício

Quando um elétron salta da banda de valência para a banda de condução devido à excitação térmica, portadores livres são criados em ambas as bandas, ou seja, elétrons na banda de condução e buracos na banda de valência. A concentração desses portadores é conhecida como concentração intrínseca de portadores. Na prática, em um cristal de silício puro ou intrínseco, o número de buracos (p) e elétrons (n) são iguais entre si, e eles são iguais à concentração intrínseca de portadores ni. Portanto, n = p = ni

O número desses portadores depende da energia da lacuna de banda. Para o silício, a energia da lacuna de banda é de 1,2 eV a 298oK, a concentração intrínseca de portadores no silício aumenta com o aumento da temperatura. A concentração intrínseca de portadores no silício é dada por,

Aqui, T = temperatura em escala absoluta

A concentração intrínseca de portadores a 300oK é 1,01 × 10^10 cm-3. Mas o valor anteriormente aceito é 1,5 × 10^10 cm-3.