10.3 : Noções básicas de semicondutores

Semicondutores intrínsecos são materiais altamente puros, sem impurezas. No zero absoluto, esses semicondutores comportam-se como isolantes perfeitos porque todos os elétrons de valência estão ligados e a banda de condução está vazia, impedindo a condução elétrica. O nível de Fermi é um conceito usado para descrever a probabilidade de ocupação de níveis de energia por elétrons em equilíbrio térmico. Em semicondutores intrínsecos, o nível de Fermi está posicionado no ponto médio do gap de energia no zero absoluto. Quando a temperatura do semicondutor aumenta, a energia térmica excita alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução, criando pares elétron-buraco (EHPs). A criação de EHPs permite a condução porque os elétrons podem se mover livremente na banda de condução e os buracos podem atuar como portadores de carga positiva na banda de valência.

A concentração intrínseca de portadores, denotada como ni, é o número de elétrons livres ou lacunas em um semicondutor puro em equilíbrio térmico. É um valor dependente da temperatura e pode ser expresso pela fórmula:

Onde B é uma constante do material, T é a temperatura, E_g é a energia do gap e k é a constante de Boltzmann.

Em qualquer temperatura acima do zero absoluto, os EHPs são gerados a uma taxa g_i e recombinam-se a uma taxa r_i. Para que o semicondutor mantenha o equilíbrio térmico, essas taxas devem ser iguais. A taxa de recombinação é proporcional ao produto das concentrações de elétrons (n_0) e buracos (p_0), descrita por:

onde α_r é o coeficiente de recombinação.

Semicondutores intrínsecos podem ser alterados para se tornarem semicondutores extrínsecos por dopagem, que introduz impurezas para alterar as propriedades elétricas do material. A dopagem de semicondutores intrínsecos com átomos pentavalentes cria materiais do tipo N pela adição de elétrons livres. Por outro lado, os dopantes trivalentes produzem materiais do tipo P com buracos predominantes, deslocando o nível de Fermi em direção à banda de valência, modificando assim as propriedades condutoras do semicondutor.