Semicondutores
Semicondutores desempenham um papel vital em quase todos os campos da eletrônica moderna, e permitem a produção de tudo, desde rádios a computadores e microprocessadores. Uma das mais importantes aplicações para materiais semicondutores envolve a sua utilização na criação de transistores, que são os dispositivos de estado sólido de elétrons que formam a base para uma vasta gama de sistemas e equipamentos eletrônicos, especialmente circuitos integrados. A maioria dos componentes semicondutores e transistores são compostos de silício, que é extremamente útil para a sua estrutura eletrônica distinta e é um dos elementos mais abundantes. Ao alterar o arranjo de elétrons de silício ou elementos similares, através da introdução de partículas adicionais, é possível ajustar os níveis de condutividade e resistividade de um material formado a partir desses elementos para criar um semicondutor.
Como o próprio nome sugere, um semicondutor apresenta os níveis de resistividade em uma escala entre as de um condutor e um isolador. Apesar de bons condutores, os metais têm uma faixa baixa de classificação de resistividade elétrica de 10-6 ohms por centímetro e isoladores têm boa resistividade na faixa mais alta de 1012 ohms por centímetro, resistividade de semicondutores em geral cai entre 10-4 e 104 ohms por centímetro. Para semicondutores, a resistividade normalmente é dependente da presença de partículas conhecida como dopantes adicionais que são usadas para substituir seletivamente átomos dentro do material semicondutor base para alterar suas propriedades elétricas.
Semicondutores intrínsecos
Um semicondutor intrínseco está em um estado “puro”, sem quaisquer dopantes adicionados. Sua matéria contém energia térmica que pode afrouxar ligações covalentes e elétrons livres para se mover através de uma massa sólida, aumentando os níveis de condutividade elétrica. As ligações covalentes que perderam seus elétrons têm vagas, ou buracos, que influenciam as propriedades elétricas do semicondutor. Elétrons em uma ligação covalente podem mover-se facilmente em uma vaga vizinha, criando um buraco na ligação covalente inicial e reiniciando o processo de abertura de vaga. Desta forma pode-se dizer que os buracos passam por um material semicondutor, adicionando à condutividade exibindo características de uma carga positiva igual a magnitude da carga do elétron. Elétrons não consolidados e buracos são os dois principais portadores de carga elétrica em movimento em um semicondutor, e é notável por ser gerado e recombinado em igual número, bem como tendo populações correspondentes.
Extrínsecos e semicondutores tipo N
Os tipos extrínsecos, ou lubrificados, são semicondutores onde são adicionadas partículas que são usadas especialmente para alterar as propriedades da condutividade elétrica do material. No silício, que é o material mais comum de semicondutor, cada átomo parte quatro elétrons de valência através de ligações covalentes com os quatro átomos mais próximos. Se o átomo de silício é substituído por um elemento dopante que tem cinco elétrons de valência, como o fósforo, quatro deles serão ligados enquanto o quinto vai continuar livre. Estes dopantes que levam mais de quatro elétrons de valência são conhecidos como doadores, pois fornecem um fluxo de elétrons livres que se movem através do semicondutor. Os elétrons livres removem o equilíbrio entre buracos e elétrons, e quando os elétrons ultrapassam os buracos do material torna-se um semicondutor tipo-N. Em tipo-N, os elétrons são portadores majoritários, enquanto os buracos são portadores minoritários, significando que a concentração de elétrons é normalmente superior ao de buracos.
Semicondutores Tipo P
Um semicondutor tipo P é outro tipo de semicondutor extrínseco que também depende de dopantes para alterar a sua composição e usa os mesmos princípios como tipo-N para conseguir um efeito inverso. Quando um átomo dopante com menos de quatro elétrons de valência, como um átomo de boro que tem valência três, é substituído por uma partícula de silício, três das quatro ligações covalentes estão cheias, enquanto o vínculo do quarto permanece vazio. Um elétron de um átomo vizinho pode facilmente juntar o vínculo vazio, criando vagas em seu átomo anterior. Estes tipos de dopantes aceitadores são conhecidos devido à sua capacidade de receber elétrons e criar buracos. O aumento nos buracos perturba o equilíbrio, resultando em mais furos do que elétrons e produz um semicondutor do tipo-P. Tipo-P tem buracos que servem como portadores majoritários, enquanto os elétrons são portadores minoritários. Como esperado, a concentração de buracos é geralmente maior do que a dos elétrons.
Junções PN
Uma característica importante de semicondutores é que através do doping seletivos vários estados da condutividade podem ser produzido em diferentes regiões de um semicondutor único. Por exemplo, um semicondutor de silício cristalino pode ter doadores dopantes e criar um estado do tipo N de um lado do material dopante aceitador e criar um estado do tipo P, por outro. O estado de transição entre os dois lados é conhecido como a junção PN. A diferença de concentração entre os transportadores de elétrons e buracos pode causar um fluxo de portadores de carga através da junção, permitindo que a seção do tipo N ganhe uma carga positiva em relação ao tipo do lado P. Quando há um equilíbrio, o fluxo de buracos portador majoritário do lado do tipo P diminui até que seja igual ao do fluxo de buracos minoritário lado do tipo N. Da mesma forma, o fluxo de maioria e minoria transportado de elétrons é mantido igual de ambos os lados, resultando em um valor de zero para corrente líquida através da junção PN.