INTRODUÇÃO AOS SEMICONDUTORES

RESUMO

Nesta Nota de Aula, eu vou descrever brevemente e genericamente os semicondutores, presumo que o leitor já tenha algum conhecimento sobre o tema. Um semicondutor é um material que está entre o condutor e o isolante na capacidade de conduzir corrente elétrica. Em muitos casos, suas propriedades condutoras podem ser alteradas de maneiras úteis pela introdução de impurezas ("dopagem") na estrutura cristalina. Quando duas regiões dopadas de forma diferente existem no mesmo cristal, uma junção semicondutora é criada. O comportamento dos portadores de carga, que incluem elétrons, íons e buracos de elétrons, nessas junções é a base de diodos, transistores e da maioria dos eletrônicos modernos. Alguns exemplos de semicondutores são silício, germânio, arsenieto de gálio e elementos próximos à chamada "escada metalóide" na tabela periódica. Depois do silício, o arsenieto de gálio é o segundo semicondutor mais comum e é usado em diodos laser, células solares, circuitos integrados de frequência de micro-ondas e outros. O silício é um elemento crítico para a fabricação da maioria dos circuitos eletrônicos.

Dispositivos semicondutores podem exibir uma gama de diferentes propriedades úteis, como passar corrente mais facilmente em uma direção do que na outra, mostrar resistência variável e ter sensibilidade à luz ou ao calor. Como as propriedades elétricas de um material semicondutor podem ser modificadas por dopagem e pela aplicação de campos elétricos ou luz, dispositivos feitos de semicondutores podem ser usados ​​para amplificação, comutação e conversão de energia. O termo semicondutor também é usado para descrever materiais usados ​​em cabos de alta capacidade, média a alta tensão como parte de seu isolamento, e esses materiais são frequentemente plástico XLPE (polietileno reticulado) com negro de fumo.

A condutividade do silício é aumentada pela adição de uma pequena quantidade (da ordem de 1 em 10^8 ) de átomos pentavalentes (antimônio , fósforo ou arsênio) ou trivalentes (boro, gálio, índio ). Este processo é conhecido como dopagem, e os semicondutores resultantes são conhecidos como semicondutores dopados ou extrínsecos. Além da dopagem, a condutividade de um semicondutor pode ser melhorada pelo aumento de sua temperatura. Isso é contrário ao comportamento de um metal, no qual a condutividade diminui com o aumento da temperatura. A compreensão moderna das propriedades de um semicondutor depende da física quântica para explicar o movimento dos portadores de carga em uma rede cristalina. A dopagem aumenta muito o número de portadores de carga dentro do cristal. Quando um semicondutor é dopado por elementos do Grupo V, eles se comportam como doadores, criando elétrons livres, conhecidos como dopagem "tipo n". Quando um semicondutor é dopado por elementos do Grupo III, eles se comportam como aceitadores, criando buracos livres, conhecidos como dopagem "tipo p". Os materiais semicondutores usados ​​em dispositivos eletrônicos são dopados sob condições precisas para controlar a concentração e as regiões de dopantes do tipo p e n. Um único cristal de dispositivo semicondutor pode ter muitas regiões do tipo p e n; as junções p-n entre essas regiões são responsáveis ​​pelo comportamento eletrônico útil. Usando uma sonda de ponto quente, pode-se determinar rapidamente se uma amostra semicondutora é do tipo p ou n. 

Algumas das propriedades dos materiais semicondutores foram observadas ao longo de meados do século XIX e primeiras décadas do século XX. A primeira aplicação prática dos semicondutores na eletrônica foi o desenvolvimento em 1904 do detector de bigode de gato, um diodo semicondutor primitivo usado nos primeiros receptores de rádio. Os desenvolvimentos na física quântica levaram, por sua vez, à invenção do transistor em 1947 e do circuito integrado em 1958.

HISTÓRICO

A história da compreensão dos semicondutores começa com experimentos sobre as propriedades elétricas dos materiais. As propriedades do coeficiente de resistência tempo-temperatura, retificação e sensibilidade à luz foram observadas a partir do início do século XIX. Thomas Johann Seebeck foi o primeiro a notar que os semicondutores apresentam características especiais, de modo que o experimento sobre um efeito Seebeck surgiu com resultados muito mais fortes ao aplicar semicondutores, em 1821. Em 1833, Michael Faraday relatou que a resistência de espécimes de sulfeto de prata diminui quando são aquecidos. Isso é contrário ao comportamento de substâncias metálicas como o cobre. Em 1839, Alexandre Edmond Becquerel relatou a observação de uma voltagem entre um eletrólito sólido e um líquido, quando atingido pela luz, o efeito fotovoltaico. Em 1873, Willoughby Smith observou que os resistores de selênio apresentam resistência decrescente quando a luz incide sobre eles. Em 1874, Karl Ferdinand Braun observou a condução e a retificação em sulfetos metálicos, embora esse efeito tenha sido descoberto anteriormente por Peter Munck af Rosenschöld (sv) escrevendo para o Annalen der Physik und Chemie em 1835. As descobertas de Rosenschöld foram ignoradas. Simon Sze afirmou que a pesquisa de Braun foi o primeiro estudo sistemático de dispositivos semicondutores. Também em 1874, Arthur Schuster descobriu que uma camada de óxido de cobre em fios tinha propriedades de retificação que cessavam quando os fios eram limpos. William Grylls Adams e Richard Evans Day observaram o efeito fotovoltaico no selênio em 1876. Uma explicação unificada desses fenômenos exigiu uma teoria da física do estado sólido, que se desenvolveu muito na primeira metade do século XX. Em 1878, Edwin Herbert Hall demonstrou a deflexão de portadores de carga fluindo por um campo magnético aplicado, o efeito Hall. A descoberta do elétron por JJ Thomson em 1897 motivou teorias de condução baseada em elétrons em sólidos. Karl Baedeker, ao observar um efeito Hall com o sinal inverso ao dos metais, teorizou que o iodeto de cobre tinha portadores de carga positivos. Johan Koenigsberger classificou materiais sólidos como metais, isolantes e "condutores variáveis" em 1914, embora seu aluno Josef Weiss já tenha introduzido o termo Halbleiter (um semicondutor no sentido moderno) em seu Ph.D. em 1910. Felix Bloch publicou uma teoria do movimento de elétrons através de redes atômicas em 1928. Em 1930, B. Gudden afirmou que a condutividade em semicondutores era devida a pequenas concentrações de impurezas. Em 1931, a teoria de banda de condução foi estabelecida por Alan Herries Wilson e o conceito de lacunas de banda foi desenvolvido. Walter H. Schottky e Nevill Francis Mott desenvolveram modelos da barreira de potencial e das características de uma junção metal-semicondutor. Em 1938, Boris Davydov desenvolveu uma teoria do retificador de óxido de cobre, identificando o efeito da junção p-n e a importância de portadores minoritários e estados de superfície.  O acordo entre as previsões teóricas (com base no desenvolvimento da mecânica quântica) e os resultados experimentais era, às vezes, fraco. Isso foi mais tarde explicado por John Bardeen como sendo devido ao comportamento extremamente "sensível à estrutura" dos semicondutores, cujas propriedades mudam drasticamente com base em pequenas quantidades de impurezas. Materiais comercialmente puros da década de 1920, contendo proporções variáveis ​​de contaminantes vestigiais, produziram resultados experimentais diferentes. Isso estimulou o desenvolvimento de técnicas aprimoradas de refino de materiais, culminando em refinarias modernas de semicondutores produzindo materiais com pureza de partes por trilhão. Dispositivos que usam semicondutores foram inicialmente construídos com base em conhecimento empírico antes que a teoria dos semicondutores fornecesse um guia para a construção de dispositivos mais capazes e confiáveis. Alexander Graham Bell usou a propriedade fotossensível do selênio para transmitir som por um feixe de luz em 1880. Uma célula solar funcional, de baixa eficiência, foi construída por Charles Fritts em 1883, usando uma placa de metal revestida com selênio e uma fina camada de ouro; o dispositivo tornou-se comercialmente útil em fotômetros fotográficos na década de 1930. Retificadores detectores de micro-ondas de contato pontual feitos de sulfeto de chumbo foram usados ​​por Jagadish Chandra Bose em 1904; o detector de bigode de gato usando galena natural ou outros materiais tornou-se um dispositivo comum no desenvolvimento do rádio. No entanto, era um tanto imprevisível na operação e exigia ajuste manual para melhor desempenho. Em 1906, HJ Round observou a emissão de luz quando a corrente elétrica passava por cristais de carboneto de silício, o princípio por trás do diodo emissor de luz. Oleg Losev observou emissão de luz semelhante em 1922, mas na época o efeito não tinha uso prático. Os retificadores de potência, usando óxido de cobre e selênio, foram desenvolvidos na década de 1920 e tornaram-se comercialmente importantes como uma alternativa aos retificadores de tubo de vácuo. Os primeiros dispositivos semicondutores usaram galena, incluindo o detector de cristal do físico alemão Ferdinand Braun em 1874 e o detector de cristal de rádio do físico indiano Jagadish Chandra Bose em 1901. Nos anos que antecederam a Segunda Guerra Mundial, dispositivos de detecção e comunicação infravermelhos estimularam a pesquisa em materiais de chumbo-sulfeto e chumbo-seleneto. Esses dispositivos foram usados ​​para detectar navios e aeronaves, para telêmetros infravermelhos e para sistemas de comunicação de voz. O detector de cristal de ponto de contato tornou-se vital para sistemas de rádio de micro-ondas, uma vez que os dispositivos de tubo de vácuo disponíveis não podiam servir como detectores acima de cerca de 4000 MHz; sistemas de radar avançados dependiam da resposta rápida dos detectores de cristal. Consideráveis ​​pesquisas e desenvolvimento de materiais de silício ocorreram durante a guerra para desenvolver detectores de qualidade consistente.

PROPRIEDADES

Os semicondutores em seu estado natural são maus condutores porque uma corrente requer o fluxo de elétrons, e os semicondutores têm suas bandas de valência preenchidas, impedindo todo o fluxo de novos elétrons. Várias técnicas desenvolvidas permitem que os materiais semicondutores se comportem como materiais condutores, como dopagem ou gating. Essas modificações têm dois resultados: tipo n e tipo p. Eles se referem ao excesso ou escassez de elétrons, respectivamente. Um número equilibrado de elétrons faria com que uma corrente fluísse por todo o material. As homojunções ocorrem quando dois materiais semicondutores dopados de forma diferente são unidos. Por exemplo, uma configuração pode consistir em germânio dopado com p e dopado com n. Isso resulta em uma troca de elétrons e buracos entre os materiais semicondutores dopados de forma diferente. O germânio dopado com n teria um excesso de elétrons, e o germânio dopado com p teria um excesso de buracos. A transferência ocorre até que um equilíbrio seja alcançado por um processo chamado recombinação, que faz com que os elétrons migrantes do tipo n entrem em contato com os buracos migrantes do tipo p. O resultado desse processo é uma estreita faixa de íons imóveis, que causa um campo elétrico através da junção. Uma diferença no potencial elétrico em um material semicondutor faria com que ele deixasse o equilíbrio térmico e criasse uma situação de não equilíbrio. Isso introduz elétrons e buracos no sistema, que interagem por meio de um processo chamado difusão ambipolar. Sempre que o equilíbrio térmico é perturbado em um material semicondutor, o número de buracos e elétrons muda. Essas interrupções podem ocorrer como resultado de uma diferença de temperatura ou fótons, que podem entrar no sistema e criar elétrons e buracos. Os processos que criam ou aniquilam elétrons e buracos são chamados de geração e recombinação, respectivamente. 

Em certos semicondutores, os elétrons excitados podem relaxar emitindo luz em vez de produzir calor. O controle da composição do semicondutor e da corrente elétrica permite a manipulação das propriedades da luz emitida. Esses semicondutores são usados ​​na construção de diodos emissores de luz e pontos quânticos fluorescentes.

Semicondutores com alta condutividade térmica podem ser usados ​​para dissipação de calor e melhoria do gerenciamento térmico de eletrônicos. Eles desempenham um papel crucial em veículos elétricos, LEDs de alto brilho e módulos de potência, entre outras aplicações. Os semicondutores têm grandes fatores de potência termoelétrica, o que os torna úteis em geradores termoelétricos, bem como altos índices de mérito termoelétrico, o que os torna úteis em refrigeradores termoelétricos.

MATERIAIS SEMICONDUTORES

Um grande número de elementos e compostos possuem propriedades semicondutoras, incluindo certos elementos puros são encontrados no grupo 14 da tabela periódica. Os mais importantes comercialmente desses elementos são o silício e o germânio. Silício e germânio são usados ​​aqui efetivamente porque eles têm 4 elétrons de valência em sua camada mais externa, o que lhes dá a habilidade de ganhar ou perder elétrons igualmente ao mesmo tempo. Compostos binários, particularmente entre elementos dos grupos 13 e 15, como arsenieto de gálio, grupos 12 e 16, grupos 14 e 16, e entre diferentes elementos do grupo 14, por exemplo, carboneto de silício.

Os materiais semicondutores mais comuns são sólidos cristalinos, mas semicondutores amorfos e líquidos também são conhecidos. Estes incluem silício amorfo hidrogenado e misturas de arsênio, selênio e telúrio em uma variedade de proporções. Esses compostos compartilham com semicondutores mais conhecidos as propriedades de condutividade intermediária e uma rápida variação de condutividade com a temperatura, bem como resistência negativa ocasional . Esses materiais desordenados não têm a estrutura cristalina rígida de semicondutores convencionais, como o silício. Eles são geralmente usados ​​em estruturas de filme fino, que não requerem material de maior qualidade eletrônica, sendo relativamente insensíveis a impurezas e danos por radiação.

Quase toda a tecnologia eletrônica de hoje envolve o uso de semicondutores, com o aspecto mais importante sendo o circuito integrado (CI), que são encontrados em desktops, laptops , scanners, celulares e outros dispositivos eletrônicos. Semicondutores para CIs são produzidos em massa. Para criar um material semicondutor ideal, a pureza química é primordial. Qualquer pequena imperfeição pode ter um efeito drástico em como o material semicondutor se comporta devido à escala em que os materiais são usados. Um alto grau de perfeição cristalina também é necessário, uma vez que falhas na estrutura cristalina (como deslocamentos, gêmeos e falhas de empilhamento) interferem nas propriedades semicondutoras do material. Falhas cristalinas são uma das principais causas de dispositivos semicondutores defeituosos. Quanto maior o cristal, mais difícil é atingir a perfeição necessária. Os processos atuais de produção em massa usam lingotes de cristal entre 100 e 300 mm de diâmetro, cultivados como cilindros e fatiados em wafers. A forma redonda característica desses wafers vem de lingotes de cristal único geralmente produzidos usando o método Czochralski. Os wafers de silício foram introduzidos pela primeira vez na década de 1940. Há uma combinação de processos que são usados ​​para preparar materiais semicondutores para CIs. Um processo é chamado de oxidação térmica, que forma dióxido de silício na superfície do silício. Isso é usado como um isolante de porta e óxido de campo. Outros processos são chamados de fotomáscaras e fotolitografia. Este processo é o que cria os padrões no circuito no circuito integrado. A luz ultravioleta é usada junto com uma camada de fotorresistência para criar uma mudança química que gera os padrões para o circuito. A gravação é o próximo processo necessário. A parte do silício que não foi coberta pela camada de fotorresistência da etapa anterior agora pode ser gravada. O principal processo normalmente usado hoje é chamado de gravação de plasma. A gravação de plasma geralmente envolve um gás de gravação bombeado em uma câmara de baixa pressão para criar plasma . Um gás de gravação comum é o clorofluorcarbono, ou mais comumente conhecido como Freon. Uma alta voltagem de radiofrequência entre o cátodo e o ânodo é o que cria o plasma na câmara. A pastilha de silício está localizada no cátodo, o que faz com que seja atingida pelos íons carregados positivamente que são liberados do plasma. O resultado é silício que é gravado anisotropicamente. O último processo é chamado de difusão. Este é o processo que dá ao material semicondutor suas propriedades semicondutoras desejadas. Também é conhecido como dopagem. O processo introduz um átomo impuro no sistema, que cria a junção p–n. Para obter os átomos impuros embutidos na pastilha de silício, a pastilha é primeiro colocada em uma câmara de 1.100 graus Celsius. Os átomos são injetados e eventualmente difundidos com o silício. Após o processo ser concluído e o silício atingir a temperatura ambiente, o processo de dopagem é feito e a pastilha semicondutora está quase preparada.

Os semicondutores são definidos por seu comportamento condutor elétrico único, em algum lugar entre o de um condutor e um isolante. As diferenças entre esses materiais podem ser entendidas em termos dos estados quânticos para elétrons, cada um dos quais pode conter zero ou um elétron (pelo princípio de exclusão de Pauli). Esses estados estão associados à estrutura de banda eletrônica do material. A condutividade elétrica surge devido à presença de elétrons em estados que são deslocalizados (estendendo-se através do material), no entanto, para transportar elétrons, um estado deve ser parcialmente preenchido, contendo um elétron apenas parte do tempo. Se o estado estiver sempre ocupado com um elétron, então ele é inerte, bloqueando a passagem de outros elétrons por esse estado. As energias desses estados quânticos são críticas, pois um estado é parcialmente preenchido apenas se sua energia estiver próxima do nível de Fermi. A alta condutividade em um material vem de ter muitos estados parcialmente preenchidos e muita deslocalização de estado. Metais são bons condutores elétricos e têm muitos estados parcialmente preenchidos com energias próximas ao seu nível de Fermi. Isoladores, por outro lado, têm poucos estados parcialmente preenchidos, seus níveis de Fermi ficam dentro de lacunas de banda com poucos estados de energia para ocupar. É importante ressaltar que um isolador pode ser feito para conduzir aumentando sua temperatura: o aquecimento fornece energia para promover alguns elétrons através da lacuna de banda, induzindo estados parcialmente preenchidos tanto na banda de estados abaixo da lacuna de banda (banda de valência) quanto na banda de estados acima da lacuna de banda (banda de condução). Um semicondutor (intrínseco) tem uma lacuna de banda menor do que a de um isolador e, à temperatura ambiente, um número significativo de elétrons pode ser excitado para cruzar a lacuna de banda.

Um semicondutor puro, no entanto, não é muito útil, pois não é um isolante muito bom nem um condutor muito bom. No entanto, uma característica importante dos semicondutores (e alguns isolantes, conhecidos como semi-isolantes) é que sua condutividade pode ser aumentada e controlada por dopagem com impurezas e gating com campos elétricos. Dopagem e gating movem a banda de condução ou valência muito mais perto do nível de Fermi e aumentam muito o número de estados parcialmente preenchidos. Alguns materiais semicondutores de banda larga são algumas vezes chamados de semi-isolantes. Quando não dopados, eles têm condutividade elétrica mais próxima da dos isolantes elétricos, no entanto, eles podem ser dopados (tornando-os tão úteis quanto os semicondutores). Os semi-isolantes encontram aplicações de nicho em microeletrônica, como substratos para HEMT. Um exemplo de um semi-isolante comum é o arsenieto de gálio. Alguns materiais, como o dióxido de titânio, podem até ser usados ​​como materiais isolantes para algumas aplicações, enquanto são tratados como semicondutores de banda larga para outras aplicações. O preenchimento parcial dos estados na parte inferior da banda de condução pode ser entendido como a adição de elétrons a essa banda. Os elétrons não permanecem indefinidamente (devido à recombinação térmica natural), mas podem se mover por algum tempo. A concentração real de elétrons é tipicamente muito diluída e, portanto (ao contrário dos metais), é possível pensar nos elétrons na banda de condução de um semicondutor como uma espécie de gás ideal clássico, onde os elétrons voam livremente sem estar sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli. 

Na maioria dos semicondutores, as bandas de condução têm uma relação de dispersão parabólica e, portanto, esses elétrons respondem a forças (campo elétrico, campo magnético, etc.) da mesma forma que fariam no vácuo, embora com uma massa efetiva diferente. Os elétrons se comportam como um gás ideal, também se pode pensar na condução em termos muito simplistas, como o modelo de Drude, e introduzir conceitos como mobilidade de elétrons. Para preenchimento parcial no topo da banda de valência, é útil introduzir o conceito de um buraco de elétron. Embora os elétrons na banda de valência estejam sempre se movendo, uma banda de valência completamente cheia é inerte, não conduzindo nenhuma corrente. Se um elétron for retirado da banda de valência, então a trajetória que o elétron normalmente teria tomado agora está sem sua carga. Para fins de corrente elétrica, essa combinação da banda de valência completa, menos o elétron, pode ser convertida em uma imagem de uma banda completamente vazia contendo uma partícula carregada positivamente que se move da mesma forma que o elétron. Combinado com a massa efetiva negativa dos elétrons no topo da banda de valência, chegamos a uma imagem de uma partícula carregada positivamente que responde a campos elétricos e magnéticos assim como uma partícula carregada positivamente faria no vácuo, novamente com alguma massa efetiva positiva. Essa partícula é chamada de buraco, e a coleção de buracos na banda de valência pode novamente ser entendida em termos clássicos simples (como com os elétrons na banda de condução).

Quando a radiação ionizante atinge um semicondutor, ela pode excitar um elétron para fora de seu nível de energia e, consequentemente, deixar um buraco. Esse processo é conhecido como geração de pares elétron-buraco. Pares elétron-buraco são constantemente gerados a partir de energia térmica também, na ausência de qualquer fonte de energia externa. Pares elétron-buraco também são aptos a se recombinar. A conservação de energia exige que esses eventos de recombinação, nos quais um elétron perde uma quantidade de energia maior que a lacuna de banda, sejam acompanhados pela emissão de energia térmica (na forma de fônons) ou radiação (na forma de fótons ). Em alguns estados, a geração e a recombinação de pares elétron-buraco estão em equilíbrio. O número de pares elétron-buraco no estado estacionário a uma dada temperatura é determinado pela mecânica estatística quântica. Os mecanismos mecânicos quânticos precisos de geração e recombinação são governados pela conservação de energia e conservação de momento. Como a probabilidade de elétrons e buracos se encontrarem é proporcional ao produto de seus números, o produto é no estado estacionário quase constante a uma dada temperatura, desde que não haja campo elétrico significativo (que pode "liberar" portadores de ambos os tipos, ou movê-los de regiões vizinhas contendo mais deles para se encontrarem) ou geração de pares conduzida externamente. O produto é uma função da temperatura, pois a probabilidade de obter energia térmica suficiente para produzir um par aumenta com a temperatura, sendo aproximadamente exp(− E G / kT ) , onde k é a constante de Boltzmann , T é a temperatura absoluta e E G é a banda proibida. A probabilidade de encontro é aumentada por armadilhas de portadores – impurezas ou deslocamentos que podem prender um elétron ou buraco e mantê-lo até que um par seja completado. Essas armadilhas de portadores são algumas vezes adicionadas propositalmente para reduzir o tempo necessário para atingir o estado estacionário.

A condutividade dos semicondutores pode ser facilmente modificada pela introdução de impurezas em sua rede cristalina. O processo de adição de impurezas controladas a um semicondutor é conhecido como dopagem. A quantidade de impureza, ou dopante, adicionada a um semicondutor intrínseco (puro) varia seu nível de condutividade. Os semicondutores dopados são chamados de extrínsecos. Ao adicionar impurezas aos semicondutores puros, a condutividade elétrica pode ser variada por fatores de milhares ou milhões. Uma amostra de 1 cm^3 de um metal ou semicondutor tem a ordem de 10^22 átomos. Em um metal, cada átomo doa pelo menos um elétron livre para condução, portanto 1 cm^3 de metal contém na ordem de 10^22 elétrons livres, enquanto uma amostra de 1 cm^3 de germânio puro a 20°C contém cerca de 4,2 × 10^22 átomos, mas apenas 2,5 × 10^13 elétrons livres e 2,5 × 10^13 buracos. A adição de 0,001% de arsênio (uma impureza) doa 10^17 elétrons livres extras no mesmo volume e a condutividade elétrica é aumentada por um fator de 10.000. Os materiais escolhidos como dopantes adequados dependem das propriedades atômicas tanto do dopante quanto do material a ser dopado. Em geral, os dopantes que produzem as mudanças controladas desejadas são classificados como aceitadores de elétrons ou doadores. Semicondutores dopados com impurezas doadoras são chamados de tipo n, enquanto aqueles dopados com impurezas aceitadoras são conhecidos como tipo p. As designações de tipo n e p indicam qual portador de carga atua como portador majoritário do material. O portador oposto é chamado de portador minoritário, que existe devido à excitação térmica em uma concentração muito menor em comparação ao portador majoritário. Por exemplo, o silício semicondutor puro tem quatro elétrons de valência que ligam cada átomo de silício aos seus vizinhos. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Todos os elementos do grupo III contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício no cristal, um estado vago (um "buraco" de elétron) é criado, que pode se mover ao redor da rede e funcionar como um portador de carga. Os elementos do grupo V têm cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doadores; a substituição desses átomos por silício cria um elétron livre extra. Portanto, um cristal de silício dopado com boro cria um semicondutor do tipo p, enquanto um dopado com fósforo resulta em um material do tipo n. Durante a fabricação, os dopantes podem ser difundidos no corpo semicondutor pelo contato com compostos gasosos do elemento desejado, ou a implantação de íons pode ser usada para posicionar com precisão as regiões dopadas. Alguns materiais, quando resfriados rapidamente para um estado amorfo vítreo, têm propriedades semicondutoras. Estes incluem B, Si , Ge, Se e Te, e existem várias teorias para explicá-los.

OS PRIMEIROS TRANSÍSTORES

Detectores e retificadores de potência não podiam amplificar um sinal. Muitos esforços foram feitos para desenvolver um amplificador de estado sólido e foram bem-sucedidos no desenvolvimento de um dispositivo chamado transistor de contato de ponto que podia amplificar 20 dB ou mais. Em 1922, Oleg Losev desenvolveu amplificadores de resistência negativa de dois terminais para rádio, mas morreu no Cerco de Leningrado após a conclusão bem-sucedida. Em 1926, Julius Edgar Lilienfeld patenteou um dispositivo semelhante a um transistor de efeito de campo, mas não era prático. R. Hilsch  e RW Pohl em 1938 demonstraram um amplificador de estado sólido usando uma estrutura semelhante à grade de controle de um tubo de vácuo; embora o dispositivo apresentasse ganho de potência, ele tinha uma frequência de corte de um ciclo por segundo, muito baixa para quaisquer aplicações práticas, mas uma aplicação eficaz da teoria disponível. Nos Laboratórios Bell, William Shockley e A. Holden começaram a investigar amplificadores de estado sólido em 1938. A primeira junção p–n no silício foi observada por Russell Ohl por volta de 1941, quando um espécime foi considerado sensível à luz, com uma fronteira nítida entre a impureza do tipo p em uma extremidade e o tipo n na outra. Uma fatia cortada do espécime na fronteira p–n desenvolveu uma voltagem quando exposta à luz. O primeiro transistor funcional foi um transistor de ponto de contato inventado por John Bardeen , Walter Houser Brattain e William Shockley na Bell Labs em 1947. Shockley havia teorizado anteriormente um amplificador de efeito de campo feito de germânio e silício, mas ele falhou em construir tal dispositivo funcional, antes de eventualmente usar o germânio para inventar o transistor de ponto de contato. Na França, durante a guerra, Herbert Mataré observou a amplificação entre contatos de ponto adjacentes em uma base de germânio. Após a guerra, o grupo de Mataré anunciou seu amplificador "Transistron" logo após a Bell Labs anunciar o " transistor ". Em 1954, o físico-químico Morris Tanenbaum fabricou o primeiro transistor de junção de silício nos Laboratórios Bell. No entanto, os primeiros transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos e difíceis de fabricar em massa, o que os limitava a uma série de aplicações especializadas.