Na primeira lição deste Curso Rápido, verificamos de que modo se dispõem os átomos nos materiais semicondutores e como é feita a condução da corrente. Nesta lição estudaremos de que modo a introdução de impurezas nestes materiais modifica seu comportamento, levando ao aparecimento de dois tipos: P e N. Veremos também corno se comporta a junção destes materiais, já nos aproximando dos principais dispositivos semicondutores práticos.
Nota: Esta segunda parte foi publicada a Revista Saber Eletrônica de outubro de 1984.
2. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
Devido à estrutura molecular do germânio e do silício, cujos átomos formam o centro de um cubo em cujos vértices existem outros 4 átomos (figura 7) e ainda devido às ligações covalentes (figura 8) entre os átomos, estes dois elementos, o germânio e silício, formam uma rede atômica muito estável em que cada um dos átomos possui 8 elétrons de valência, comportando-se, portanto, como isolante — lembrar que cada átomo, mesmo possuindo 4 elétrons na última órbita, compartilham cada um desses elétrons com cada um dos 4 átomos que o rodeiam, constituindo as ligações covalentes, e seu comportamento é tal como um átomo estável de 8 elementos em sua órbita mais externa, vide o croqui da figura 13.
Um material com essa constituição atômica é altamente estável e por isso é isolante, já que tem bem "amarrados" todos os elétrons da última órbita. Contudo, tivemos a oportunidade de verificar que a temperatura faz com que algumas dessas ligações covalentes fiquem debilitadas e venham a perder elétrons em função do valor da temperatura a que está submetida a estrutura cristalina do material — quanto maior está tão mais frágeis se tornarão essas ligações. Ao aplicar-se uma diferença de potencial ao material intrínseco desenvolver-se--á uma diminuta corrente elétrica que é proporcional à temperatura; a passagem dessa corrente é justificada pelo enfraquecimento dos enlaces covalentes os quais se rompem. Porque o valor da corrente que circula pelo material intrínseco (ou puro) é reduzida, ela não é útil para o que se pretende obter, isto é, os componentes eletrônicos de estado sólido. É necessário, portanto, fazer com que o valor dessa corrente seja incrementado o suficiente para que o material seja útil.
Vimos que a densidade de portadores livres é baixa (da ordem de 1010) tanto para o silício como para o germânio e isso é o causador das diminutas correntes à temperatura ambiente. "Tá na cara" que, para aumentar o valor dessa corrente, é necessário incrementar a quantidade desses portadores e para isso se acrescentam outros corpos, denominados impurezas, a esses materiais puros, ou intrínsecos, os quais passam a ser chamados impuros ou extrínsecos; também se diz que eles foram dopados (algo semelhante ao que ocorre com alguns jogadores de futebol
Consideremos o átomo de antimônio, símbolo químico Sb, que possui 5 elétrons em sua órbita mais externa, daí ser chamado penta valente — figura 14. Se à estrutura intrínseca do silício, ou do germânio, se "acrescentar" uma ínfima proporção de antimônio em relação à quantidade de átomos do material puro verifica-se que os átomos de antimônio se assentam na estrutura cristalina ocupando um "cargo" similar ao que ocuparia outro átomo de silício ou de germânio; este átomo particular de Sb ficará rodeado por 4 átomos do semicondutor que tratarão de formar, através dele, as 4 ligações covalentes necessárias para a sua estabilização. Na figura 15 se mostra a estrutura cristalina do silício no qual se introduziu um átomo de impureza Sb, pelo qual o material recebe o nome de semicondutor extrínseco ou semicondutor dopado.
Pela figura 15 vemos que o átomo de antimônio não só realiza as 4 ligações covalentes (compare com a figura 8 ou 9) como ainda contribui com um elétron que tende a escapar de sua órbita para que o átomo de antimônio fique estável — 8 elétrons na sua camada periférica. É por demais óbvio concluir que a cada átomo de impureza Sb, introduzido no material puro, surge um elétron livre na estrutura.
A relação entre os átomos de impureza introduzidos é da ordem de 1 por 1 000000, ainda que relativamente baixa hão de considerar-se, além disso, os 1010 elétrons e os 1010 buracos livres que existem por cm3 à temperatura ambiente, com isto são obtidos da ordem de 1016 elétrons livres e 1010 buracos, também livres, por cm3, onde verificamos que a quantidade de portadores negativos é muito maior que a dos positivos e daí advém a denominação de portadores majoritários para os primeiros e de portadores minoritários para os segundos; pela mesma razão se classifica este tipo de material extrínseco como sendo do tipo N — N de negativo: portadores majoritários elétrons carga negativa.
A tabela 1, à seguir, relaciona as características fundamentais do semicondutor intrínseco e do extrínseco do tipo N. Dessa tabela verifica-se que tanto no semicondutor intrínseco como no extrínseco existem diversas quantidades de portadores minoritários (positivos) e majoritários (negativos), o que nos leva a crer, erroneamente, que o material dopado não é eletricamente neutro. Uma análise mais apurada nos fará ver que isso não é verdade, o material extrínseco continua eletricamente neutro, pois ele está formado por átomos completos (neutros) que, mesmo perdendo elétrons, estes permanecem na estrutura do material e no final o número de elétrons é igual ao de prótons, justamente caracterizando a neutralidade elétrica do novo semicondutor assim formado.
Em vez do antimônio vamos considerar o alumínio, símbolo químico AI, que é um elemento trivalente como se representa na figura 16. Que acontecerá ao acrescentar impurezas de alumínio ao semicondutor intrínseco?
Cada átomo da impureza ficará rodeado, como no caso do antimônio, por 4 átomos de germânio ou silício tendendo a formar 4 enlaces covalentes, mas agora isso não é possível, pois o alumínio, ou outro qualquer material trivalente, apenas propicia 3 elétrons para esse mister, verifica-se então que apenas são possíveis 3 desses enlaces deixando um em falta, ou seja, dar-se-á formação ao que se denominou de buraco ou lacuna. A figura 17 tenta esclarecer o exposto para o caso do Si.
A cada átomo de impureza trivalente acrescida ao material intrínseco aparece um buraco na estrutura do semicondutor extrínseco ou, o que é a mesma coisa, a "falta" de um elétron. Acrescentando um átomo de impureza trivalente a cada 106 átomos do material puro dar-se-á a formação de 1016 buracos e de 1010 elétrons livres por cm3 à temperatura de 17°C. Como no semicondutor assim obtido existem muito mais buracos (portadores majoritários) do que elétrons livres (portadores minoritários) unicamente propiciados pelos efeitos de agitação térmica, esse semicondutor assim formado recebe o nome de semicondutor tipo P, porém mantendo-se ainda neutra a estrutura do semicondutor, tal qual ocorre no caso precedente.
Posto isso, estamos aptos para explicar a circulação de corrente nos semicondutores extrínsecos. Submetendo um semicondutor extrínseco a uma diferença de potencial se produz no mesmo uma circulação de portadores muito mais acentuada que nos semicondutores intrínsecos devido à maior quantidade de portadores livres. Se a um semicondutor N é aplicada uma diferença de potencial entre suas extremidades, é provocado um forte movimento de elétrons, no caso portadores majoritários, em direção ao terminal positivo enquanto os buracos, por serem de pequeno número, provocam uma corrente de baixo valor (comparada à anterior) em sentido contrário. Na figura 18 estão representadas as duas correntes elétricas envolvidas no fenômeno: as setas pontilhadas indicam o sentido do movimento dos portadores minoritários e as setas cheias o dos portadores majoritários que dão origem à corrente de nosso interesse.
Para cada elétron que sai do cristal N (figura 18) atraído em direção ao terminal positivo da fonte, existe um outro que se desprende do polo negativo da fonte em direção ao cristal e nele sendo introduzido; desta forma é mantida constante a concentração de portadores majoritários. Por outro lado, a pequena corrente de portadores minoritários supõe uma consideração similar à anterior tendo em mente que os buracos não existem e que em realidade ocorre é um movimento de elétrons em sentido contrário.
A título de observação gostaríamos de tratar de uma recombinação que ocorre entre buracos (ou lacunas) e elétrons: quando em movimento, elétrons e lacunas, haverá sempre a possibilidade de ambos se recombinarem eliminando dessa forma dois portadores móveis, um elétron e um buraco, assim sendo, nem os buracos nem as lacunas conservar-se-ão livres indefinidamente.
Também ao aplicar uma tensão a um semicondutor tipo P são produzidas duas correntes de portadores: uma muito importante, de buracos ou lacunas e quase desprezível, de elétrons, tal qual é apresentado na figura 19.
A teoria até o momento apresentada ainda não nos levou à meta final: o transistor. Isto não ocorrerá tão cedo visto ainda não termos todos os elementos disponíveis para tal estudo. É o caso, por exemplo, do fenômeno conhecido por difusão.
Ao colocarmos em contato elementos de diferentes naturezas (ou concentrações diferentes) se produz um fenômeno de agitação térmica denominado difusão, o qual se caracteriza por tentar igualar a mencionada concentração de ambos os corpos. Um exemplo típico, e que se pode comprovar facilmente, consiste em prover em um recipiente com água limpa em solução, também de água, altamente concentrada de azul de metileno. Com o decorrer do tempo aumenta a concentração do azul de metileno no recipiente de água, o qual vai tingindo-se (na cor azul, é claro!) até que chega o momento em que toda a mistura fica homogênea, estabilizando-se o processo de deslocamento de moléculas da água de maior concentração de azul de metileno para a de menos, no caso a água limpa (quem pratica aquariofilia certamente já verificou esse fenômeno uma vez que o combate a algumas doenças de peixes ornamentais é realizado com esse produto).
Após a noção do fenômeno difusão nos encontramos em condições de entender o que ocorre quando são "juntados dois pedaços" de cristal extrínsecos: um P e outro N. Como é de nosso conhecimento, o cristal P apresenta mais lacunas livres (portadores majoritários) que de elétrons livres (portadores minoritários), mas mesmo assim a carga elétrica resultante é nula; o contrário ocorre com o semicondutor tipo N em que os portadores majoritários são os elétrons, porém o conjunto continua ainda sendo neutro. Ao colocarmos parte de um semicondutor P em contato com um semicondutor N, os elétrons da região N, com elevada concentração dos mesmos, tendem a dirigir-se à região P onde eles são "raros"; o contrário sucede com as lacunas do material P que tendem ir para a região N também graças ao fenômeno da difusão —figura 20.
A lei da difusão "empurra" os elétrons do material N para o material P e as lacunas de P em direção ao cristal N, isto é, da maior para a menor concentração, propiciando o seu encontro e neutralizando-se na região da união ou junção. Ao encontrar-se um elétron com uma lacuna, desaparece o elétron livre que passa a ocupar o lugar da lacuna e, portanto, também desaparece esta última formando-se nas cercanias dessa união uma estrutura estável e neutra, sendo conhecida como camada de carga espacial — figura 21.
Nessa "brincadeira" toda, a região N perde elétrons livres fazendo com que ela deixe de ser neutra e vá, cada vez, tornando-se mais positiva; a região P, por sua vez, perde lacunas e torna-se mais negativa que antes da união com o material N quando era neutra. Dessa forma surge uma diferença de potencial entre a camada N e a camada P que se encontram separadas por intermédio da região neutra — figura 22.
A diferença de potencial que surge entre as camadas N e P, denominada barreira de potencial, se opõe à lei de difusão, já que o potencial positivo que se cria em N repele as lacunas que aproximam oriundas de P; o potencial negativo de P repele os elétrons do material N e após atingido o equilíbrio a barreira de potencial criada impede a continuação da difusão e, portanto, impede que as concentrações de ambas camadas se igualem.
Do exposto neste item temos a destacar o seguinte:
— o semicondutor extrínseco tipo N é formado ao dopar-se com impurezas penta valentes o semicondutor intrínseco; disso tudo surge uma considerável quantidade de elétrons livres (portadores majoritários) em comparação com as lacunas, ou buracos, livres (portadores minoritários);
— o semicondutor extrínseco tipo P se forma acrescentando impurezas trivalentes ao semicondutor intrínseco, aparecendo na estrutura um considerável número de buracos livres (portadores majoritários) em relação aos elétrons livres (portadores minoritários);
— a concentração inicial de portadores majoritários mantém-se no semicondutor extrínseco quando ao mesmo é aplicada uma diferença de potencial, porque a mesma quantidade que absorve um terminal de alimentação é abordada pelo outro;
— ao formar a união de um cristal N com um P há uma recombinação de elétrons livres do cristal N com lacunas do cristal P formando uma região neutra e uma barreira de potencial entre ambas regiões que ao atingir o suficiente valor impede a difusão e impede que as concentrações de ambos cristais se igualem.
