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No vídeo anterior, explicamos que os semicondutores não conduz eletricidade muito bem.

Uma forma de manipular a condutividade eléctrica em semicondutores é manipular a concentração de portadores eletricamente carregado. Podemos fazer isso usando doping. Neste vídeo, vamos primeiro introduzir o doping é. Então, vamos discutir como doping mudanças importantes propriedades do material em semicondutores. A concentração de portadores de carga em um semicondutor pode ser manipulado por dopagem o material. Doping meios que agreguem impurezas em uma controlada

caminho para o material. Vamos pegar o exemplo de silício. Silício tem quatro electrões de valência. Em uma estrutura de silício, cada átomo está ligado, covalentemente, a quatro outros átomos de silício. Podemos tomar essa estrutura de silício e substituto uma pequena quantidade de silício átomos com diferentes átomos. Isto é geralmente feito com átomos de dois elementos distintos: boro e fósforo. Boron átomo tem três elétrons de valência, enquanto átomo de fósforo tem cinco elétrons de valência.

Quando o boro é usado como um agente dopante, o material resultante é chamado tipo p. Quando o fósforo é utilizado, chamamos esse material do tipo n. Então, o que realmente acontece quando substituímos átomos de silício com essas impurezas? Aqui você pode ver uma representação esquemática da ligação entre átomos de silício e boro. O boro é átomo no meio deste diagrama ligado a quatro átomos de silício. Você pode ver que três dos átomos de silício têm ligações covalentes com o átomo de boro.

No entanto, um dos átomos de silício tem uma ligação de vista engraçado com o átomo de boro. Isso ocorre porque as ações átomo de boro apenas um elétron de valência. Esta ligação está ausente um electrão. Este elétron faltando é denotado como um buraco. No lado direito do slide, podemos ver a situação com um átomo de fósforo. Quatro elétrons de valência de forma átomo de fósforo quatro ligações covalentes com vizinhos átomos de silício. Porque átomo de fósforo tem cinco electrões de valência,

há um electrão adicional flutuante em torno e não estar envolvido numa ligação. O que acabamos de explicar pode ser melhor visualizado com a ajuda da ligação bidimensional modelo. Vamos começar a comparar intrínseca e dopado semicondutores em zero Kelvin. Podemos ver que na rede de um tipo n semicondutor, existem electrões “extra” transportadas por átomos de fósforo. Da mesma forma, a estrutura de tipo P contém furos adicionais realizadas por átomos de boro.

Se a temperatura aumenta, algumas ligações silício-silício pode quebrar e electrões são libertados dos laços. Os elétrons ausentes nos títulos representam partículas virtuais que chamamos de buracos. Então, quebrando as ligações resulta na formação de pares de electrão-lacuna. Estes elétrons e buracos são móveis e podem mover-se através do material. O mesmo processo de ligações que quebram também ocorre Se o material é dopado. No entanto, no dopado com material de excitação térmica

também afecta os átomos dopantes. Em materiais n-tipo, o fósforo extras elétron precisa de uma quantidade muito pequena de energia térmica para se soltar a partir do átomo de fósforo e tornar-se móvel. Por isso, dizemos que o átomo de fósforo “doa” um elétron livre móvel no reticulado de silício. Por esta razão, fósforo também é chamado para ser um “doador”. Se esse elétron móvel deixa o fósforo átomo, o átomo de fósforo torna-se positivamente carregado.

Isso é porque ele tem mais prótons que elétrons agora. Em materiais de tipo p, os electrões podem ser prontamente aceite por átomos de boro para preencher os orifícios e completar a ligao covalente com o átomo de silício. Chamamos dopantes como boro “receptores”. O átomo de boro fica carregado negativamente uma vez que agora aceitou um elétron extra. Dizemos que átomos de boro são ionizados negativamente. Ionização de átomos dopantes pode afetar localmente a neutralidade de carga da própria rede.

Isso acontece quando as operadoras móveis empobrecem a região com átomos dopantes ionizados fixos Como consequência, a estrutura se torne localmente carregado positivamente no tipo-n, enquanto no tipo p torna-se negativamente carregada. No entanto, a neutralidade de carga de todo o material ainda é mantida. Nos vídeos anteriores, salientou a relação entre energia e do elétron composição e estrutura do material. Além disso, também introduziu a energia de Fermi

nível e mostraram que a sua posição depende da densidade de estados eficaz no de condução e de valência bandas. Podemos, portanto, esperar que, ao inserir doadores e aceitadores de átomos, essas propriedades serão afectadas. Vamos ver como. Vamos começar por olhar para os diagramas de banda dos nossos três materiais. Em vídeos anteriores eu mostrei-lhe o diagrama de banda de um semicondutor intrínseco. A posição do nível de Fermi que tenho

rotulado E_Fi é aqui de grande importância. E_Fi representa o nível de Fermi de uma intrínseca semicondutor. No diagrama de banda de material do tipo n, o nível de energia indicado como ED representa a energia dos elétrons “extra” de fósforo átomos que não estão envolvidos nas ligações. O nível de energia de electrões esta fracamente ligado fica perto da banda de condução. Uma vez liberado do átomo, ele vai ganhar energia e ocupam um nível de energia na banda de condução.

Desde por doping nós aumentamos o número de elétrons com energias na banda de condução da média energia dos elétrons vai aumentar. Isto irá resultar em uma mudança do nível de Fermi para a banda de condução. Eu tirei o nível de Fermi intrínseco para de referência, mas a verdadeira Fermi Nível E_F é desenhada aqui no vermelho. Você pode ver que é entre o nível de Fermi intrínseca e a banda de condução ea mais nos dopar o material, quanto mais próximo o nível de Fermi será para a banda de condução.

Se olharmos para um material do tipo p, podemos ver um efeito semelhante, mas oposto. Agora temos um nível de energia, denominado E_a, que é ocupado por elétrons que são aceitos para formar ligações covalentes. Uma vez que neste caso a maioria dos elétrons ocupam níveis de energia em ou perto da banda de valência a energia média de electrões irá diminuir. O nível de Fermi é deslocado para a banda de valência. Novamente, o maior a dopagem com átomos de aceitadores, o mais perto do nível de Fermi será

para a banda de valência. Antes de avançar com alguns cálculos para determinar a concentração de portadores de carga móveis, é importante entender alguns terminologia importante. Nos semicondutores, muitas vezes distinguir entre majoritários e carga minoria operadoras. Como você já entendeu que lidar com dois tipos de portadores de carga em semicondutores. Negativamente carregado positivamente e electrões furos praticados. Num semicondutor intrínseca temos o

mesmo número de electrões e buracos. No entanto, com a dopagem que manipular a concentração de apenas um tipo dos portadores de carga. Chamamos os portadores cuja concentração é muito maior do que a dos outros portadores tipo majoritários. Estes são furos em materiais do tipo p e electrões em materiais do tipo n. portadores de carga minoria são os transportadores com concentração muito mais baixa do que a maioria portadores. Estes são em electrões em materiais de tipo p

e furos em materiais do tipo n. A concentração de dopante pode ser selectivamente escolhido de acordo com a aplicação. Para silício cristalino que pode ter três níveis de dopagem, de baixa, moderada e forte, cuja gamas pode ser visto nesta figura. Para ilustração, quando tomamos uma dopagem moderada de 10 a energia de 16 por átomos dopantes cúbico centímetro isso significa que temos substituído com apenas um átomo de silício de 1 milhão de silício átomos. Para aplicações de células solares, geralmente

utilizar camadas com concentrações moderadas a elevadas dopantes. Neste vídeo nós olhamos como doping afeta algumas das propriedades semicondutoras qualitativamente. No próximo vídeo vamos aprender como calcular as concentrações de suporte e a posição dos níveis de Fermi de semicondutores dependendo sobre a sua concentração dopagem.



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PV1x_2017_2.2.3_Doping-video.mp4