Quais são os elementos químicos utilizados no processo de dopagem para criação dos semicondutores? Por que esses materiais são utilizados?

Passo 1

O enunciado pergunta quais elementos químicos são usados no processo de dopagem para criar semicondutores e por que usá-los. O conteúdo aqui é dopagem de semicondutores elementares (silício ou germânio), e vamos precisar entender como a valência desses elementos de dopagem altera a condutividade ao criar portadores de carga extras.

Passo 2

Semicondutores elementares como o silício \mathrm{(Si)} e o germânio \mathrm{(Ge)} pertencem ao grupo IV da Tabela Periódica, possuindo quatro elétrons na camada de valência. Para aumentar sua condutividade, introduzimos átomos de impurezas em concentração tipicamente 10^{15} 10^{18}\,\mathrm{cm^{-3}}. Esses átomos substituem parte dos \mathrm{Si} ou \mathrm{Ge} na rede cristalina (dopagem por substituição).

Passo 3

Dopagem tipo-n: usamos elementos do grupo V (cinco elétrons de valência). Exemplos:
\mathrm{P} (fósforo), \mathrm{As} (arsênio), \mathrm{Sb} (antimônio).
Cada átomo desses traz um elétron extra que fica livre para condução, aumentando a densidade de elétrons na banda de condução.

Passo 4

Dopagem tipo-p: usamos elementos do grupo III (três elétrons de valência). Exemplos:
\mathrm{B} (boro), \mathrm{Al} (alumínio), \mathrm{Ga} (gálio), \mathrm{In} (índio).
Cada átomo desses cria uma lacuna (falta de elétron) na rede, aumentando a densidade de lacunas na banda de valência.

Passo 5

Por que esses materiais?
  1. A diferença de valência ( +1 ou -1 elétron) gera portadores extras (elétrons ou lacunas).
  2. Seus raios atômicos são muito próximos aos do \mathrm{Si} ou \mathrm{Ge}, causando pouca distorção da rede cristalina.
  3. Os níveis de impureza formados ficam rasos, ou seja, bem próximos às bordas das bandas, de modo que os elétrons ou lacunas sejam facilmente ionizados à temperatura ambiente.

Resposta

Dopantes tipo-n: \mathrm{P}, \mathrm{As}, \mathrm{Sb}.
Dopantes tipo-p: \mathrm{B}, \mathrm{Al}, \mathrm{Ga}, \mathrm{In}.
Esses elementos são escolhidos porque sua valência gera elétrons livres ou lacunas, mantêm a integridade da rede cristalina e formam níveis rasos de impurezas que ionizam facilmente à temperatura ambiente.

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