ÍNDICE         ELETRÔNICA

INTRODUÇÃO

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" da 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.

CARACTERÍSTICAS

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 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.

A FÍSICA DOS SEMICONDUTORES

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. Isolantes, 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. Mas, um semicondutor puro, no entanto, não é muito útil, pois não é um isolante muito bom nem um condutor muito bom e, 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, pois, 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, como 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. Como 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 cheia, 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 e 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 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 − 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. Certos elementos puros são encontrados no grupo 14 da tabela periódica, os mais importantes comercialmente são o silício e o germânio, conforme eu já citei anteriormente. O silício e germânio são usados ​ 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. São 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 além de certos compostos ternários, óxidos ligas e materiais semicondutores orgânicos, feitos de compostos orgânicos. 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 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, pois os 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 e 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 e 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 processo necessário, parte do silício que não foi coberta pela camada de fotorresistência da etapa anterior pode ser gravada. O principal processo normalmente usado é chamado de gravação de plasma que envolve um gás de gravação bombeado em uma câmara de baixa pressão para criar plasma, o mais comum é o clorofluorcarbono, 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 e o resultado é silício que é gravado anisotropicamente. Também existe outro processo que dá ao material semicondutor as propriedades semicondutoras desejadas, conhecido como dopagem. Este introduz um átomo impuro no sistema, que cria a junção p–n. Para obter os átomos impuros embutidos na pastilha de silício, ela 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. 

Assim, 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. A alta condutividade em um material vem de ter muitos estados parcialmente preenchidos e muita deslocalização de estado. 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. 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, é possível pensar nos elétrons na banda de condução de um semicondutor como uma espécie de gás ideal clássico, na maioria dos semicondutores, as bandas de condução têm uma relação de dispersão parabólica e, como os elétrons se comportam como um gás ideal. 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 cheia, 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). 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. Em alguns estados, a geração e 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.