Porque os cristais de silício empregados na produção de chips semicondutores contêm dopantes, tais como fósforo e boro?
Passo 1
Beleza, a pergunta diz: “Por que os cristais de silício usados em chips semicondutores têm dopantes como fósforo e boro?”
Conteúdo: Física de semicondutores – bandas de energia, condutividade e dopagem.
O que vamos precisar: entender como funciona um semicondutor puro e como a adição de átomos de fósforo (pentavalente) ou boro (trivalente) muda a condutividade do silício.
Conteúdo: Física de semicondutores – bandas de energia, condutividade e dopagem.
O que vamos precisar: entender como funciona um semicondutor puro e como a adição de átomos de fósforo (pentavalente) ou boro (trivalente) muda a condutividade do silício.
Passo 2
Primeiro, lembra que o silício puro é um semicondutor intrínseco.
• Cada átomo de Si forma 4 ligações covalentes com os vizinhos.
• À temperatura ambiente, só surge um número bem pequeno de elétrons livres (e buracos) porque o gap (banda proibida) é relativamente grande (cerca de 1,1 eV).
Resultado: condutividade baixa.
• Cada átomo de Si forma 4 ligações covalentes com os vizinhos.
• À temperatura ambiente, só surge um número bem pequeno de elétrons livres (e buracos) porque o gap (banda proibida) é relativamente grande (cerca de 1,1 eV).
Resultado: condutividade baixa.
Passo 3
Agora entra a dopagem: a gente insere poucos átomos de um outro elemento no cristal.
• Se usarmos fósforo (5 elétrons de valência), ele tem um elétron “extra” que não consegue ligar covalentemente. Esse elétron fica livre para conduzir corrente. Chamamos isso de semicondutor do tipo n (“n” de negative, pois sobra elétron).
• Se usarmos boro (3 elétrons de valência), falta um elétron para completar as 4 ligações. Surge, então, um “buraco” que pode se comportar como carga positiva e se mover. Isso é semicondutor tipo p.
• Se usarmos fósforo (5 elétrons de valência), ele tem um elétron “extra” que não consegue ligar covalentemente. Esse elétron fica livre para conduzir corrente. Chamamos isso de semicondutor do tipo n (“n” de negative, pois sobra elétron).
• Se usarmos boro (3 elétrons de valência), falta um elétron para completar as 4 ligações. Surge, então, um “buraco” que pode se comportar como carga positiva e se mover. Isso é semicondutor tipo p.
Na prática, a dopagem cria muitos portadores de carga (elétrons no tipo n ou buracos no tipo p), aumentando MUITO a condutividade.
Passo 4
Por que isso é útil em chips?
• Com camadas tipo p e tipo n lado a lado, temos junções PN que funcionam como diodos, transistores, etc.
• Controlando onde e quanto se dopa, a gente define regiões de condução e de bloqueio no chip.
• Sem dopagem, não dá pra ter componentes ativos (liga/desliga), e o processador não funciona.
• Com camadas tipo p e tipo n lado a lado, temos junções PN que funcionam como diodos, transistores, etc.
• Controlando onde e quanto se dopa, a gente define regiões de condução e de bloqueio no chip.
• Sem dopagem, não dá pra ter componentes ativos (liga/desliga), e o processador não funciona.
Resposta
Os cristais de silício são “supridos” com fósforo (dopagem n) e boro (dopagem p) pra gerar, de forma controlada, muitos elétrons livres ou buracos. Isso aumenta drasticamente a condutividade e permite formar junções PN, que são a base de diodos e transistores nos chips semicondutores.