UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁIntrodução aos Semicondutores Leonardo B. Zoccal ([email protected]) ELT055 – Eletrônica Analógica I - 10/02/15 Bibliografia – ELT055 Microeletrônica Sedra e Smith 4ª edição Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad, Robert L. e Nashelsky, Louis 8ª edição Eletrônica – Volume 1 Albert Paul Malvino 4ª edição 2 Avaliação – ELT055 19/04/2013 – P1 (100%) 28/06/2013 – P2 (60%) e Trabalho (40%) 08/07/2013 - Exame 3 Introdução aos Semicondutores 4 . – Semicondutores. – Isolantes. • Considera-se a propriedade destes materiais em conduzir a corrente elétrica com maior (ou menor) 5 facilidade.Introdução aos Semicondutores • Tecnologia atual de fabricação de dispositivos discretos e circuitos integrados concentra-se nos materiais: – Condutores. Material isolante é qualquer material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando submetido a uma fonte de tensão. 6 . Material semicondutor possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e de um condutor.Introdução aos Semicondutores Material condutor é qualquer material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar uma fonte de tensão de amplitude limitada através de seus terminais. Introdução aos Semicondutores + V = R·I (a condutividade está V - relacionada com a resistência de um material) O coeficiente térmico da resistividade de um semicondutor é negativo (T.cm] 7 .cm] Mica Isolante 1012 [.cm] Silício (Si) Semicondutor 50·103 [. ρ ) L R A A resistividade I L Material Classificação Resistividade () Cobre Condutor 10-6 [. ). • Fabricação com alto grau de pureza.Introdução aos Semicondutores • Atualmente. transistores. os semicondutores são amplamente utilizados para a fabricação dos dispositivos de estado sólido (diodos. • Modificação das características elétricas em função da: dopagem. etc). 8 . temperatura e da luz (dispositivos especializados – sensores p.ex. todos os aspectos qualitativos mencionados podem ser estendidos a qualquer outro material semicondutor. Arseneto de Gálio – GaAs.). etc. porém. 9 .Introdução aos Semicondutores • Existe uma grande variedade de materiais semicondutores além do Silício (Germânio – Ge. • Silício 20 a 30% da crosta terrestre. • Este curso será focado no Silício. Introdução aos Semicondutores Quando os átomos do Si se combinam para formar um sólido. eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal Núcleo O cristal de Si tem estrutura de diamante tridimensional Representação planar do átomo de 10 Si é mais simples . Introdução aos Semicondutores Átomo Isolado de Si Modelo de Bohr Núcleo Estrutura é eletricamente neutra 14 e.na órbita de valência) 11 .= 14p A última órbita (chamada de órbita de valência) é a mais importante DETERMINA AS PROPRIEDADES QUÍMICAS E ELÉTRICAS DO MATERIAL O átomo de Si é tetravalente (possui 4e. 12 . No caso do silício.Introdução aos Semicondutores Núcleo Os átomos da órbita de valência podem ser liberados através do fornecimento de energia (por exemplo calor e luz) Quanto maior a órbita do elétron maior será sua energia potencial (em relação ao núcleo) Os átomos tendem buscar a estabilidade química completando todos os seus níveis de energia. são necessários mais 4 elétrons. Introdução aos Semicondutores Ligação Covalente Núcleo Órbita de Valência Os quatro elétrons que faltam são conseguidos através do compartilhamento dos elétrons da última camada. 13 . Este tipo de ligação é conhecida como LIGAÇÃO COVALENTE. Esses semicondutores puros são conhecidos como MATERIAIS INTRINSECOS. A obtenção de semicondutores intrínsecos pode apresentar 14 um grau de pureza de 1:1010 . os semicondutores são cuidadosamente refinados para se obter a redução de impurezas a um nível muito baixo.Introdução aos Semicondutores Ligação Covalente Núcleo Órbita de Valência Durante o processo de fabricação. Introdução aos Semicondutores Ligação Covalente Núcleo Órbita de Valência O cristal de Silício é eletricamente neutro (nenhuma carga foi retirada ou introduzida) 15 . Introdução aos Semicondutores A energia total de um elétron pode ser identificada pelas dimensões de sua órbita Cada raio possui um equivalente ao nível de energia Núcleo 16 . existindo um “gap” (região proibida) entre as órbitas A energia ΔE para o elétron ir da órbita inferior para a órbita superior deve ser maior ou igual ao GAP A energia ΔE fornecida pode ser na forma de calor ou luz Para voltar a órbita anterior.Introdução aos Semicondutores Níveis de Energia Os elétrons apresentam níveis discretos de energia ocupando somente órbitas bem definidas em relação ao núcleo. o elétron deve liberar a energia ΔE armazenada (liberação na forma de calor ou luz) 17 . os elétrons de uma órbita particular podem apresentar níveis de energia ligeiramente distintos dos elétrons na mesma órbita de um átomo adjacente Com isso ocorre a expansão dos níveis discretos dos estados de energia possíveis para os elétrons de valência para aquelas bandas 18 .Introdução aos Semicondutores Níveis de Energia Conforme os átomos são reunidos para formar a rede cristalina. Introdução aos Semicondutores Níveis de Energia Condutor Isolante Semicondutor A energia associada a cada elétron é medida em elétron-volts (eV) 1 eV = 1.6·10-19 J (W = Q·V) 19 . 5·1010 portadores/cm3). Quanto menor Eg maior o número de portadores livres 20 . Os elétrons passam da banda de valência para a banda de condução (para o silício intrínseco ≈ 1.Introdução aos Semicondutores Níveis de Energia O calor (energia térmica ≥ GAP à ≈ 25oC = temperatura ambiente) rompe algumas ligações covalentes gerando portadores livres. No espaço deixado pelo elétron surge uma lacuna. O reestabelecimento da ligação covalente (elétron “encontra” a lacuna) recebe o nome de recombinação e o elétron deve perder energia (calor ou luz).Introdução aos Semicondutores Níveis de Energia O par elétron-lacuna gerado pela energia térmica recebe o nome de geração térmica de pares elétron-lacuna. 21 . Para uma temperatura ambiente constate a geração térmica de pares elétronslacunas e recombinação tem-se uma situação de equilíbrio. Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P As características dos materiais semicondutores podem ser consideravelmente alteradas pela adição de determinados átomos de impurezas no material semicondutor relativamente puro. Há dois materiais extrínsecos imprescindíveis para a fabricação de um dispositivo semicondutor: material do tipo N. Dopagem é a inserção de impurezas no material de forma controlada. Um material semicondutor submetido ao processo de dopagem é chamado de MATERIAL EXTRÍNSECO. material do tipo P. 22 . As ligações covalentes ainda estão presentes e o quinto elétron está relativamente livre para se mover.Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO N O material do tipo n é criado com a introdução dos elementos de impureza que tem cinco elétrons de valência (pentavalente) como antimônio. 23 . As impurezas difundidas com cinco elétrons de valência são chamados de átomos doadores. arsênio e fósforo. Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO N Banda de Condução 0. Elétrons “livres” devido à impureza adicionada se estabelecem nesse nível de energia e têm menos dificuldade para absorver uma quantidade suficiente de energia térmica para mover-se em direção a banda de condução à temperatura ambiente.Pares Elétron-Lacuna Banda de Valência O aumento da concentração de elétrons na banda de condução aumenta a condutividade do material A dopagem “acrescenta” um nível discreto de energia (chamado nível doador) na banda proibida com um Eg bem menor do que o material intrínseco.05 [eV] 1. 24 .1 [eV] Nível de Energia dos Doadores Geração Térmica . As lacunas estão em minoria e são chamadas de portadores minoritários.1 [eV] Nível de Energia dos Doadores Geração Térmica . Banda de Condução 0.05 [eV] 1. As lacunas na banda de valência foram produzidas pelo processo de geração térmica. 25 .Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO N A maioria dos elétrons na banda de condução surgiu como consequência da dopagem.Pares Elétron-Lacuna Banda de Valência Os elétrons estão em maioria e são ditos portadores majoritários. Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO P O material do tipo p é criado com a introdução dos elementos de impureza que tem três elétrons de valência como boro. gálio e índio. 26 . Há um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. As impurezas difundidas com três elétrons de valência são chamados de átomos aceitadores. A lacuna resultante aceitará rapidamente um elétron “livre”. Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO P Banda de Condução Geração Térmica .Pares Elétron-Lacuna 1.1 [eV] Nível de Energia dos Aceitadores 0. Banda de Valência 27 .05 [eV] A dopagem “acrescenta” um nível discreto de energia (chamado nível aceitador) na banda proibida com um Eg bem menor do que o material intrínseco. 05 [eV] Banda de Valência As lacunas estão em maioria e são chamadas de portadores majoritários. Os elétrons na banda de condução foram produzidas pelo processo de geração térmica.Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P MATERIAL TIPO P A maioria das lacunas na banda de valência surgiu como consequência da dopagem. Banda de Condução Os elétrons estão em minoria e são ditos portadores minoritários. 28 . Geração Térmica .1 [eV] Nível de Energia dos Aceitadores 0.Pares Elétron-Lacuna 1. Introdução aos Semicondutores Um semicondutor dopado possui 10 bilhões de átomos de silício e 15 milhões de átomos pentavalentes. 29 . Se a temperatura ambiente for de 25oC. Não devem existir muitas lacunas em relação aos elétrons livres (há somente aquelas produzidas pela energia térmica). quantos elétrons livres e lacunas existem dentro do semicondutor? Cada átomo pentavalente contribui com um elétron livre. o semicondutor tem 15 milhões de elétrons livres produzidos pela dopagem. Portanto. n. portanto. 30 . é igual à densidade de lacunas. independe do grau de dopagem. Em um material dopado 2 n p ni n e p representam. as densidades de elétrons e de lacunas no semicondutor extrínseco. a densidade de elétrons. representa as densidades no semicondutor intrínseco e.Introdução aos Semicondutores Em um semicondutor intrínseco. A quantidade ni. p. respectivamente. 17·104 lacunas/cm3 31 . A densidade de dopagem é 1016 átomos/cm3.08·1010 elétrons/cm3. Considere ni = 1. de modo uniforme.Introdução aos Semicondutores Uma amostra de silício cristalino é dopada. n = 1016 elétrons/cm3 p n 2 i n p = 1. Determine as densidades de elétrons e de lacunas nesse material à temperatura ambiente. com átomos de fósforo (pentavalente). Movimento da Lacuna Movimento do Elétron A mobilidade dos elétrons livres na banda de condução é de 2 a 3 vezes maior A banda de valência está mais saturada (“cheia”) que a banda de condução. 32 . Desse modo a mobilidade das lacunas é inferior à mobilidade dos elétrons. ela pode ser modelada como um portador de carga positiva. Sendo assim.Introdução aos Semicondutores Materiais Extrínsecos do tipo N e P Fluxo de elétrons e lacunas O movimento da lacuna é no sentido contrário ao do elétron. Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva Na presença de uma diferença de potencial (campo elétrico) existe a aceleração dos portadores de carga no material forçando alguns a fluírem de um lado ao outro. A aceleração devida ao campo e a colisão com o cristal têm ações opostas. O movimento de portadores de carga devido a um campo elétrico é chamado “deriva” (drift). o que resulta em uma velocidade constante para os portadores 33 . cm2/(V·s) Para o Silício: µn = 1350 cm2/(V·s) (mobilidade dos elétrons) µp = 480 cm2/(V·s) (mobilidade das lacunas) v E Elétrons se movem em direção oposta ao campo elétrico v E E v e h n p 34 .Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva µ é a mobilidade . Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva Tensão V1 aplicada a uma barra de semicondutor uniforme . cuja densidade de elétrons livres é n [átomos/m3] A carga total transportada na seção W/h será: -W·h·n·q (onde q = 1.6·10-19 C) [C/m] A distância x será percorrida com uma velocidade v em ∆t (t1 – t) segundos x v t 35 . Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva A variação total de carga através da distância x será: ∆Q = -W·h·n·q·v·∆t [C] Q W h n q v t i t t i W h n q v 36 . a corrente que flui por uma seção reta de área unitária.Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva i W h n q v v n E Jn denota a densidade de corrente. ou seja. J n n E n q [ A / cm 2 ] A corrente (densidade de corrente) é igual à velocidade da carga multiplicada pela densidade da carga 37 . Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Deriva J tot n E n q p E p q J tot q n n p p E Esta equação fornece a corrente de deriva em resposta a um campo elétrico E em um semicondutor com densidades uniformes de elétrons e de lacunas 38 . os portadores se movem em direção às regiões de baixa concentração (transportam uma corrente elétrica enquanto a não uniformidade é mantida).Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Difusão Quando portadores de carga são injetados em um semicondutor (criar uma densidade não uniforme) ocorre um fluxo de cargas da região de maior concentração para a região de menor concentração Mesmo na ausência de um campo elétrico. 39 . 40 . maior será a corrente dn i dx n denota a concentração de portadores em um dado ponto ao longo do eixo x.Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Difusão Quanto mais não uniforme for a concentração de portadores. dn/dx é o gradiente da concentração em relação a x. Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Difusão Para cada portador de carga q em um semicondutor com seção reta de área A dn i A q dx dn i A q Dn dx Dn é um fator de proporcionalidade chamado constante de difusão e expresso em cm2/s Para o silício intrínseco Dn = 34 cm2/s (elétrons) Dp = 12 cm2/s (lacunas) 41 . Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Difusão i A q Dn dn dx dn J n q Dn dx dp J p q D p dx J tot q Dn dn dp Dp dx dx 42 . Dn (ou Dp). da seguinte forma: D k T q kT/q ≈ 26 mV em T = 300 K k – Constante de Boltzmann q – Carga do elétron 43 . se relaciona com a constante de difusão.Introdução aos Semicondutores Transporte de Portadores Relação de Einstein A mobilidade de um portador. µn (ou µp). Introdução aos Semicondutores Exemplo de Processo de fabricação de um a lâmina de Silício Geração de pares Elétrons-Lacunas e mob ilidade 44 .