Principal diferença - semicondutor tipo p vs. tipo n

Os semicondutores dos tipos p e n são absolutamente cruciais para a construção da eletrônica moderna. Eles são muito úteis porque suas habilidades de condução podem ser facilmente controladas. Diodos e transistores, que são centrais para todos os tipos de eletrônicos modernos, requerem semicondutores do tipo p e do tipo n para sua construção. o principal diferença entre o tipo p e o semicondutor do tipo n é que Semicondutores do tipo p são feitos pela adição de impurezas de elementos do Grupo III para semicondutores intrínsecos, enquanto que, em semicondutores do tipo n, as impurezas são elementos do Grupo IV.

O que é um semicondutor

UMA semicondutor é um material que tem uma condutividade entre a de um condutor e a de um isolante. No teoria da banda de sólidos, os níveis de energia são representados em termos de bandas. Segundo esta teoria, para um material conduzir, os elétrons da banda de valência devem ser capazes de se mover até a banda de condução (observe que "subir" aqui não significa um elétron se movendo fisicamente para cima, mas sim um elétron ganhando uma quantidade de energia que está associada às energias da banda de condução). De acordo com a teoria, os metais (que são condutores) têm uma estrutura de banda onde a banda de valência se sobrepõe à banda de condução. Como resultado, os metais podem conduzir eletricidade prontamente. Em isoladores, o gap de banda entre a banda de valência e a banda de condução é bastante grande, de modo que é extremamente difícil para os elétrons entrarem na banda de condução. Em contraste, os semicondutores têm uma pequena lacuna entre as bandas de valência e de condução. Ao aumentar a temperatura, por exemplo, é possível dar aos elétrons energia suficiente que lhes permite passar da banda de valência até a banda de condução. Então, os elétrons podem se mover na banda de condução e o semicondutor pode conduzir eletricidade.

Como metais (condutores), semicondutores e isoladores são vistos sob a teoria de bandas de sólidos.

Semicondutores intrínsecos são elementos com quatro elétrons de valência por átomo, ou seja, elementos que ocorrem no "Grupo-IV" da tabela periódica, como silício (Si) e germânio (Ge). Como cada átomo tem quatro elétrons de valência, cada um desses elétrons de valência pode formar uma ligação covalente com um dos elétrons de valência em um átomo vizinho. Dessa forma, todos os elétrons de valência estariam envolvidos em uma ligação covalente. A rigor, não é esse o caso: dependendo da temperatura, vários elétrons são capazes de “quebrar” suas ligações covalentes e participar da condução. No entanto, é possível aumentar muito a capacidade de condução de um semicondutor adicionando pequenas quantidades de uma impureza ao semicondutor, em um processo denominado doping. A impureza que é adicionada ao semicondutor intrínseco é chamada de dopante. Um semicondutor dopado é referido como um semicondutor extrínseco.

O que é um semicondutor tipo n

Um semicondutor do tipo n é feito adicionando uma pequena quantidade de um elemento do Grupo V, como fósforo (P) ou arsênio (As), ao semicondutor intrínseco. Os elementos do Grupo V têm cinco elétrons de valência por átomo. Portanto, quando esses átomos fazem ligações com os átomos do Grupo IV, devido à estrutura atômica do material, apenas quatro dos cinco elétrons de valência podem estar envolvidos em ligações covalentes. Isso significa que para cada átomo dopante existe um elétron extra “livre” que pode então ir para a banda de condução e começar a conduzir eletricidade. Portanto, os átomos dopantes em semicondutores do tipo n são chamados doadores porque eles “doam” elétrons para a banda de condução. Em termos de teoria de banda, podemos imaginar os elétrons livres de doadores tendo um nível de energia próximo ao da banda de condução. Como a lacuna de energia é pequena, os elétrons podem facilmente pular para a banda de condução e começar a conduzir uma corrente.

O que é um semicondutor do tipo p

Um semicondutor do tipo p é feito dopando um semicondutor intrínseco com elementos do Grupo III, como boro (B) ou alumínio (Al). Nestes elementos, existem apenas três elétrons de valência por átomo. Quando esses átomos são adicionados a um semicondutor intrínseco, cada um dos três elétrons pode formar ligações covalentes com elétrons de valência de três dos átomos circundantes do semicondutor intrínseco. Porém, devido à estrutura cristalina, o átomo dopante pode formar outra ligação covalente se tiver mais um elétron. Em outras palavras, agora existe uma "vaga" para um elétron, e muitas vezes essa "vaga" é chamada de buraco. O átomo dopante pode agora tirar um elétron de um dos átomos circundantes e usá-lo para formar uma ligação. Em semicondutores do tipo p, os átomos dopantes são chamados aceitantes já que eles pegam elétrons para si.

Agora, o átomo que teve um elétron roubado também ficou com um buraco. Este átomo agora pode roubar um elétron de um de seus vizinhos, que, por sua vez, pode roubar um elétron de um de seus vizinhos… e assim por diante. Desta forma, podemos realmente imaginar que um “buraco com carga positiva” pode viajar através da banda de valência de um material, da mesma forma que um elétron pode viajar através da banda de condução. O “movimento dos furos” na banda de condução pode ser visto como uma corrente. Observe que o movimento dos buracos na banda de valência é na direção oposta ao movimento dos elétrons na banda de condução para uma dada diferença de potencial. Em semicondutores do tipo p, os buracos são chamados de operadoras majoritárias enquanto os elétrons na banda de condução são os operadoras minoritárias.

Em termos de teoria de banda, a energia dos elétrons aceitos (“o nível aceitador”) fica um pouco mais alta acima da energia da banda de valência. Os elétrons da banda de valência podem facilmente atingir esse nível, deixando buracos na banda de valência. O diagrama abaixo ilustra as bandas de energia em semicondutores intrínsecos dos tipos n e p.

Bandas de energia em semicondutores intrínsecos dos tipos n e p.

Diferença entre semicondutor tipo p e tipo n

Dopantes

No semicondutor tipo p, os dopantes são elementos do Grupo III.

No semicondutor tipo n, os dopantes são elementos do Grupo IV.

Comportamento dopante:

No semicondutor tipo p, os átomos dopantes são aceitantes: eles pegam elétrons e criam buracos na banda de valência.

No semicondutor tipo n, os átomos dopantes agem como doadores: eles doam elétrons que podem facilmente atingir a banda de condução.

Operadoras majoritárias

No semicondutor tipo p, a maioria dos portadores são orifícios que se movem na banda de valência.

No semicondutor tipo n, a maioria dos portadores são elétrons que se movem na banda de condução.

Movimento das Portadoras de Maioria

No semicondutor tipo p, a maioria dos portadores se move na direção da corrente convencional (do potencial mais alto para o mais baixo).

No semicondutor tipo n, os portadores da maioria se movem contra a direção da corrente convencional.

Cortesia de imagem:

“Comparação das estruturas de banda eletrônica de metais, semicondutores e isoladores.” por Pieter Kuiper (self-made) [Public Domain], via Wikimedia Commons