Semicondutores: Dopagem, Tipos e Efeito Hall

A condutividade dos semicondutores aumenta com a temperatura, e a concentração de portadores de carga não é constante, variando exponencialmente. Atualmente, há um amplo predomínio de dispositivos de silício. Um átomo de germânio ou silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência. Para ser quimicamente estável, um átomo necessita de oito elétrons. Os átomos destes elementos podem, então, posicionar-se entre outros quatro átomos, compartilhando um elétron com cada vizinho (ligação covalente), obtendo oito elétrons na órbita de valência. Essa disposição constitui um "cristal".

No estudo dos semicondutores, uma lacuna é a região quântica numa rede cristalina de material semicondutor dopado, caracterizada como a ausência de um elétron, mas comportando-se efetivamente como um portador de carga positiva. Tanto elétrons quanto lacunas são responsáveis pelo movimento de cargas.

A condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução.

Quando aplicado um campo elétrico, aparece uma força que altera o movimento das partículas, resultando em um movimento orientado no sentido das linhas do campo elétrico, no caso dos buracos (lacunas), ou no sentido oposto, no caso dos elétrons.

Dopagem é a adição de impurezas químicas elementares (como índio ou fósforo) em um elemento químico semicondutor puro, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondutividade controlada específica (presença majoritária de portadores de carga do tipo P, as lacunas, ou do tipo N, os elétrons).

O silício é chamado de tetravalente por possuir 4 elétrons em sua última órbita. Quando introduzimos no cristal um átomo de elemento pentavalente (5 elétrons na última camada), ligando-se a quatro átomos de silício, sobrará um elétron livre. Com um número adequado de átomos "penetras", teremos um cristal com mais elétrons do que lacunas. Ou seja, esse cristal terá energia predominantemente negativa, porque negativa é a carga do elétron. Um cristal desse tipo recebe a denominação tipo N (de negativo).

Se doparmos o cristal com um elemento trivalente (três átomos na última camada)? Obviamente, o inverso ocorrerá: o elemento dopante conseguirá estabelecer apenas três ligações com outros átomos. Um átomo de silício ficará, portanto, com uma lacuna a mais. Com o número adequado de átomos trivalentes, teremos um cristal com mais lacunas do que elétrons. Esse cristal terá energia predominantemente positiva. Um cristal desse tipo recebe a denominação tipo P (de positivo).

Em condições de equilíbrio térmico, isto é, com a criação de pares elétron-lacuna constante, verifica-se que, qualquer que seja a dopagem, o produto das concentrações de cargas livres (elétrons n e lacunas p) é sempre igual ao produto das concentrações de cargas livres do semicondutor puro, isto é, igual ao quadrado da concentração intrínseca. Logo, o produto das concentrações de cargas livres é uma constante independente da quantidade da dopagem de impurezas doadoras ou aceitadoras. Esta relação é chamada Lei da Ação das Massas: n * p = ni².

Quando um cristal puro é dopado, seja com impurezas pentavalentes ou trivalentes, ele se transforma em um semicondutor extrínseco. Em um cristal intrínseco (puro), a condução é muito mais difícil do que em um cristal extrínseco (dopado).

Chama-se Efeito Hall o fenômeno do aparecimento de um campo elétrico induzido (E) quando um metal ou semicondutor, conduzindo uma corrente elétrica, é imerso em um campo magnético de indução uniforme e transversal à corrente. Esse campo elétrico surge perpendicularmente ao plano do campo magnético de indução e da corrente elétrica induzida, e tem como finalidade restabelecer o estado de equilíbrio que foi alterado pela ação das linhas de indução sobre o fluxo de portadores. Com o Efeito Hall, é possível determinar o tipo de portador majoritário (elétron ou lacuna) e sua concentração.