[1] Como funciona o processo de dopagem de semicontudores de silício?

Passo 1

O enunciado pede para entendermos como se introduzem impurezas em um cristal de silício (Si) para alterar sua condutividade elétrica. O conteúdo principal envolve a física de semicondutores — em particular as bandas de energia e os portadores de carga — e as técnicas de incorporação de dopantes, como difusão e implantação iônica, além do tratamento térmico para ativação desses dopantes.

Passo 2

Em silício intrínseco, cada átomo de Si faz quatro ligações covalentes com seus vizinhos, e a densidade de portadores livres (elétrons e lacunas) em temperatura ambiente é muito baixa. Definimos a densidade intrínseca de portadores como ni, que para silício é da ordem de 10^10,cm^-3 a 300,K. Sem dopagem, o material conduz pouco porque há poucos elétrons na banda de condução e poucas lacunas na banda de valência.

Passo 3

Na dopagem substitui-se alguns átomos de Si por impurezas:
1. Átomos pentavalentes (como fósforo, P, ou arsênio, As) passam a doar um elétron ao cristal, gerando um semicondutor do tipo-n, ou seja, com excesso de elétrons livres.
2. Átomos trivalentes (como boro, B, ou gálio, Ga) criam lacunas ao aceitarem elétrons da rede, gerando um semicondutor do tipo-p, ou seja, com excesso de lacunas livres.

Passo 4

Fisicamente, esses dopantes introduzem níveis de energia dentro da banda proibida do silício. Um doador fica a poucas décimas de elétron-volt abaixo da banda de condução, tipicamente sim0,05,eV, e um aceita
xaddor fica a poucas décimas de elétron-volt acima da banda de valência, tipicamente sim0,045,eV. Com isso, bastam poucos elétrons ganharem energia térmica para saltar para a banda de condução (no tipo-n) ou criar lacunas na banda de valência (no tipo-p), aumentando drasticamente a condutividade.

Passo 5

Existem duas técnicas comuns de introdução dessas impurezas:
1. Na difusão, o wafer de Si é colocado em alto forno numa atmosfera contendo um composto volátil do dopante (por ex. PCl3 para fósforo). Em altas temperaturas ( sim10001100,^circC), o dopante se difunde na superfície do cristal, penetrando conforme o tempo e a temperatura.
2. Na implantação iônica, íons do dopante são acelerados e disparados contra o wafer, penetrando numa profundidade controlada pela energia dos íons. Essa técnica dá perfil mais preciso, mas danifica um pouco a rede cristalina.

Passo 6

Após a incorporação (por difusão ou implantação), aplica-se um tratamento térmico de recozimento (annealing) a cerca de 8001000,^circC. Isso tem duas funções principais: reparar defeitos causados pela implantação iônica e fazer com que os átomos de dopante ocupem posições substitucionais na rede de silício, ativando-os eletronicamente.

Passo 7

O resultado final é um semicondutor com densidade de dopantes ND (no tipo-n) ou NA (no tipo-p) muito maior que ni. A condutividade do material passa a ser aproximadamente
sigma = q(nmun + pmup),
onde napprox ND no tipo-n (e papprox NA no tipo-p), q é a carga do elétron, e mun e mup são as mobilidades dos elétrons e lacunas, respectivamente.

Resposta

O processo de dopagem de semicondutores de silício consiste em introduzir átomos impurezas pentavalentes (para tipo-n) ou trivalentes (para tipo-p) no cristal de Si, usando técnicas como difusão em alto forno ou implantação iônica, seguido de recozimento térmico para ativar eletronicamente esses dopantes. O resultado é o aumento controlado da densidade de portadores livres, o que altera fortemente a condutividade elétrica do silício.

Exercícios relacionados