Ciência e Tecnologia de Materiais

209
Semicondutores para Dispositivos
Óticos e Eletrônicos
Livro texto – Cap. 18
Semicondutores
210
• Propriedades básicas
 Grupo de materiais com
condutividade elétrica
intermediária entre os
metais e os isolantes.
 Condutividade finamente
controlada pela presença de
impurezas - dopantes.
• Aplicações
 Maioria dos componentes
eletrônicos do computador.
 São a base da tecnologia de
opto-eletrônica - lasers,
LED´s, detectores,
circuitos integrados óticos
e células solares.
 (S/m)
Os semicondutores na tabela periódica
Alguns elementos (colunas II, III, V, VI), quando combinados entre si (ligas
III-V, II-VI, etc.) assumem propriedades semicondutoras.
211
Condutividade e Estrutura de Bandas
a corrente flui facilmente
BV
• Isolantes apresentam grande gap de
energia entre estas bandas

• Semicondutores apresentam gap de
energia moderado

BC
elétrons não conseguem saltar da
banda de valência para a de condução
a corrente não flui
somente poucos elétrons conseguem
ser excitados para a banda de
condução
BC
Energia

Condutor Metálico
Gap
Energia

BC
Energia
• A separação (gap) entre a banda de
valência e a banda de condução
determina a propriedade elétrica do
material
• Nos condutores os elétrons passam
facilmente para a BC e portanto
estão essencialmente livres
BV
BV
Isolante
Semicondutor
 criando “buracos”

apenas uma pequena corrente pode
fluir
212
Condutividade e Elétrons Livres
• Condutores
 Metais (1 e/átomo, livre para se mover, ou 1022 e/cm3)
• Isolantes
 Cerâmicos (óxidos, de 0 a 10-20 e/átomo, ou até 10-2 e/cm3)
• Semicondutores
 Germânio (10-8 e/átomo ou 1013 e/cm3)
 Silício puro (10-12 e/átomo ou 1010 e/cm3)
 Silício dopado (10-9 a 10-7 e/átomo ou 1013 a 1015 e/cm3)
 Arseneto de Gálio (10-16 e/átomo ou 106 e/cm3)
213
214
Silício Puro (Intrínseco)
• O silício tem 4 elétrons de valência.
Quando sólido os átomos se ligam,
produzindo uma rede cristalina.
• Denominamos este sólido como silício
intrínseco (Si-i).
• Os elétrons de valência são
compartilhados com os átomos
vizinhos
Si
Si
Si
 resultando numa estrutura bastante
estável
 estes elétrons são fortemente ligados
Si
Si
Si
 pouca quantidade de elétrons livres
Si
Si
Si
Estrutura & Portadores de Carga
215
• Nos semicondutores, a energia térmica na temperatura
ambiente pode ser suficiente para romper a ligação
atômica de um elétron, fazendo-o saltar da banda de
valência para a banda de condução, e produzindo um par
elétron-buraco .
e  elétron livre
h  buraco livre
Estrutura a 0 K
Estrutura a 300 K
• Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de
condução para a banda de valência, recombinando assim
com um buraco.
Formação de Cargas Livres num SC
• Quando a vibração dos átomos da rede
cristalina é capaz de romper uma das
ligações Si-Si, temos que o elétron envolvido
nesta ligação recebeu uma quantidade de
energia suficiente para excitá-lo de um
estado no topo da banda de valência para um
estado no fundo da banda de condução.
• A ligação rompida com esta vibração (ou
ligação faltante) corresponde à formação de
um buraco na banda de valência.
• Esta transição resulta em igual número de
elétrons na BC e de buracos na BV. Esta é
uma importante propriedade dos
energia
semicondutores intrínsecos.
216
Banda
de de
Banda
condução
condução
vazia
parcialmente
vazia
Banda proibida
[Egap]
e+- e+- e+- e+-
Banda de
valência
Banda
de
parcialmente
valência
cheia
cheia
Elétrons, Buracos, Condutividade
• Os elétrons excitados para a BC
têm à sua disposição inúmeros
níveis de energia livres e portanto
podem se deslocar, contribuindo
para a condutividade do material.
• Os buracos deixados na BV, por
sua vez, correspondem a níveis
livres para onde outros elétrons
podem se mover, deixando outros
buracos, e assim por diante.


É mais simples descrever este
movimento na BV como o de
cargas positivas, buracos, que se
deslocam no sentido contrário ao
dos elétrons.
Assim, os buracos também
contribuem para a condutividade de
um semicondutor.
he+- he+- he+- he+-
h+ he+- he+- he+-
he+- h+ he+- he+-
he+- he+- h+ he+-
217
Condutividade Intrínseca
218
• A condutividade de um semicondutor intrínseco pode
ser escrita como
 = n q e + p q b
• onde





n = concentração de elétrons na BC
p = concentração de buracos na BV
q = carga do elétron
e = mobilidade de elétrons na BC
b = mobilidade de buracos na BV
• Em geral, as mobilidades de elétrons e buracos não são
iguais.
Concentração de Portadores no Si-i
Si, intrínseco
T= 0 K
Si, intrínseco
T= 300 K
219
Distribuição de elétrons na BC e buracos
na BV, em igual quantidade, para o
semicondutor intrínseco. Esta é uma
importante propriedade dos
semicondutores intrínsecos.
n.p = ni2=1020
1010.1010=1020
Dopagem do Silício
220
• A produção de circuitos integrados requer que o
substrato (wafer) seja mais condutor do que o Si puro.
• Para melhorar a condutividade do semicondutor,
adicionam-se impurezas (dopantes) que contribuem
com elétrons extras ou buracos extras.
• Este processo é conhecido como dopagem. Boro (B),
Fósforo (P), e Arsênio (As) são os dopantes mais
comumente utilizados pela indústria de microeletrônica
para aumentar a condutividade do silício.
221
A Química da Dopagem
• Consultando a Tabela Periódica
pode-se observar o número de
elétrons de valência do Boro,
Silício, Fósforo e Arsênio.
 elementos com 5 elétrons de
valência contribuem com um
elétron extra para a rede
(dopante doador) – tipo n
(portadores de carga negativos)
 elementos com 3 elétrons de
valência aceitam um elétron da
rede do silício (dopante
receptor) – tipo p (portadores de
carga positivos)
III A
IV A
VA
B
C
N
Al
Si
P
Ga
Ge
As
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
elétron livre
buraco livre
Si
B
Si
Si
Si
Si
Concentração de Elétrons e Buracos
• O silício intrínseco possui um numero de buracos igual ao de elétrons
livres: 1010 e/cm3 na temperatura ambiente.
• Para conseguirmos um razoável nível de condutividade não é necessário
acrescentar uma grande quantidade de dopante. É suficiente uma adição
de uma a cem partes por bilhão (1015 at/cm3).

Como o Si, cristalino possui  5 x 1022 at/cm3 dopagem de
 1016 at/cm3 significa a adição de uma parte por milhão (ppm);
 1013 at/cm3 significa a adição de uma parte por bilhão (ppb).
• Se o dopante é doador teremos um aumento da concentração de elétrons
na BC de 1010 para 1015 e/cm3, ou seja, um aumento de 5 ordens de
grandeza com forte impacto sobre a condutividade.
• Se o dopante é receptor, o mesmo ocorrerá a partir do aumento da
concentração de buracos na BV.
222
223
Concentração de Portadores no Si Dopado
Si, intrínseco
T= 300 K
Si, tipo n
T= 300 K
Si, tipo p
T= 300 K
A dopagem do Si aumenta dramaticamente a concentração de portadores
de carga: elétrons no Si tipo n e buracos no Si tipo p.
224
Dopagem e Níveis no Gap
 Dopante doador
 Surge um nível de energia
permitido para estes elétrons,
pouco abaixo da BC.
 Com pouca energia, estes elétrons
podem ser promovidos para a BC.
• Semicondutor tipo-p



Dopante receptor
Surge um nível de energia
permitido pouco acima da BV.
Com pouca energia, elétrons da
BV podem ser promovidos para
este nível, deixando buracos na
BV.
Elétrons
BC
BC
BV
BV
Semicondutor n
Semicondutor p
Buracos
Energia
• Semicondutor tipo-n
Os níveis de energia
das impurezas
(doadoras e
receptoras) no Si
Dispositivos e Junções
225
• A base da tecnologia de dispositivos semicondutores
está na habilidade de se produzir uma junção entre
duas partes de materiais com características distintas.
• Como os materiais semicondutores possuem
pouquíssimos elétrons livres, qualquer imperfeição no
material prejudica a sua condutividade.
 Material deve ser muito puro (99,9999%).
 Estrutura cristalina deve ser a mais perfeita possível.
• Assim, a junção tem que procurar casar as posições dos
átomos de cada lado da junção.
 Requisito crítico de engenharia.
226
A Junção pn
• O diodo é a junção entre um
semicondutor tipo-n e um
semicondutor tipo-p.
• Na formação da junção pn os
elétrons da região n (em alta
concentração) migrarão para
a região p (de menor
concentração de elétrons) e se
recombinarão com os buracos
da região p (dopantes tipo III)
que possui alta concentração
de buracos. DIFUSÃO.
• O processo inverso ocorrerá
com os buracos da região p.
Elétrons
Buracos
Núcleos com elétrons de valência
n
p
p
n
227
A Junção pn (cont.)
• Este processo bidirecional de
migração, de elétrons e buracos,
leva à formação de uma região com
carga líquida negativa na região p e
positiva na região n.
• Isto dá origem a uma região com
um campo elétrico que aponta da
região n para a p.

OBS: O campo elétrico aponta do
lado positivo para o lado negativo
• Este campo cresce até interromper o
processo de difusão de cargas
através da junção.
• A região em torno da fronteira, na
qual ocorre a redução de portadores
de carga, chama-se zona de
depleção.
P
P
N
N
228
A Física da Junção
• O efeito na junção equivale à geração de um potencial
elétrico que modifica os níveis relativos das bandas de
energia dos materiais p e n, gerando uma barreira de
potencial.
• Quando esta junção é ligada a uma fonte externa, esta
barreira será reduzida ou aumentada.
Ecn
Ecp
Ecp
eV
Ecn
Evp
Evn
Situação inicial
(antes do equilíbrio)
Evp
Situação final
(após o equilíbrio)
Evn
229
Junção com Polarização Direta
+ -
• Fonte de tensão ligada com o pólo positivo
conectado ao lado tipo-p.
-
 A barreira de potencial diminui.
 A quantidade de buracos no lado p e elétrons
no lado n com energia suficiente para vencer a
barreira de potencial aumenta muito.
 A junção conduz corrente.
Junção despolarizada
p
Campo
Externo
Resultante
Junção com polarização direta
eV
dimimui
p
n
n
E
n
Campo Interno
eV
p
+
E
230
Junção com Polarização Reversa
• Fonte de tensão ligada com o pólo positivo
conectado ao lado tipo-n.
 A barreira de potencial aumenta.
 Os buracos no lado p e elétrons no lado n não
têm energia suficiente para vencer a barreira de
potencial.
 A junção não conduz corrente.
Junção despolarizada
-
+
n
Campo Interno
Campo
Externo
Resultante
Junção com polarização reversa
eV
aumenta
eV
n
E
+
p
p
p
-
n
E
231
Junção pn: Característica V-I
I  I o [e
Tensão de
Ruptura
eV / kT
 1]
, com V>0 para a polarização direta
Comportamento
Exponencial
Diodo
Fluxo de corrente convencional
Anodo
Polarização
Reversa
Polarização
Direta
Catodo
Junção pn
Clique aqui
e arraste
p = NA, e n = [ni2 / NA] p = [ni2 / ND], e n = ND
232
O Diodo como Retificador
• A aplicação mais simples do
diodo é na retificação de
corrente alternada => conversão
de corrente alternada para
corrente continua.



O ciclo positivo corresponde à
polarização direta e a corrente
pode fluir.
O ciclo negativo corresponde à
polarização reversa e a corrente
não pode fluir => ciclo negativo
eliminado.
O uso de um capacitor permite
transformar as oscilações do ciclo
positivo em uma onda de valor
quase constante.
233
Dispositivos Baseados na Junção pn
• LED’s
Banda de
Condução
 Convertem um sinal elétrico de
entrada em uma saída de luz:
elétron entrando  fóton saindo
Banda de
Valência
• Células Solares (Fotovoltaicas)
 Convertem um sinal luminoso de
entrada em uma saída de
elétrons: fóton entrando 
elétron saindo
(os elétrons gerados são
“impulsionados” pelo campo
elétrico na junção PN)
 Fonte de energia renovável!
234
Fóton
Absorvido
Banda de
Condução
Banda de
Valência
LED’s
235
• Um diodo emissor de luz (LED) é muito semelhante ao diodo
comum utilizado em circuitos elétricos.
 Junção pn polarizada diretamente injeta elétrons na região tipo p, rica
em buracos
 Recombinação deste elétrons com os buracos existentes.
 De acordo com a característica do material semicondutor utilizado,
esta recombinação irá apresentar uma liberação de energia sob a
forma de fótons (luz).
• Pode-se fazer uma engenharia neste material para
ajustar a cor da luz emitida. Este ajuste nos permite
gerar, hoje em dia, emissões na faixa do infravermelho
ao ultravioleta.
O que é um LED?
LED’s (Light Emitting Diodes) são dispositivos semicondutores que
têm a capacidade de converter energia elétrica em energia luminosa,
sem grande geração de calor.
Link útil: Wikipedia – LED’s
236
Os LED’s e a Economia de Energia
• A iluminação com LEDs é a mais nova solução para a economia
de energia
 Exemplos de Aplicações:
 Semáforos
 Dispositivos portáteis de consumo
 Automóveis
 Iluminação exterior, ruas
• As cores brilhantes e de alta intensidade podem contribuir para
um menor consumo global de energia quando comparado com
outras tecnologias de iluminação. A iluminação consome algo
como 19% da energia elétrica mundial.
• A iluminação com LEDs apresenta um potencial de poupança de
25 - 40%. Isto significa uma possibilidade de redução de mais de
550 milhões de toneladas de CO2 anuais.
Green IT International Symposium 2008
237
Evolução da Eficiência dos LEDs
2008 – 91 Lumens/Watt
238
O LED na Iluminação
239
• No Município do Rio, a Prefeitura está instalando luminárias
LED, alimentadas por células fotovoltaicas, com bateria
montadas no próprio corpo da luminária. Estes
empreendimentos visam reduzir o custo de manutenção e de
instalação dos cabos de energia para alimentação das lâmpadas.
Iluminação com LED’s
Iluminação com lâmpada de
sódio de alta pressão (HPS)
Vantagens dos Dispositivos LED

Longevidade: O LED possui uma vida útil entre 10 e 50 mil horas enquanto que uma lâmpada
incandescente apresenta algo como 1.000 horas de uso (8.000h para as lâmpadas de rua).

Eficiência: O LED dissipa muito pouco calor e opera a corrente muito baixa produzindo uma
emissão de uma luz muita intensa.

Custo: Não muito alto, e caindo

Robustez: Componente de estado sólido, não tão frágil como lâmpada de incandescência

Compatibilidade com geração fotovoltaica: total, pois funciona com correntes contínuas de baixo
valor e baixa corrente. Dispensa o uso de inversores que é fator de perda de eficiência do
aproveitamento da energia fotovoltaica.
240
LED: A Engenharia de Fabricação
241
A recombinação produz Luz
Al
:e
:h
Contato
Elétrico
GaAs-p
SiO2
GaAs-n
Substrato
Os elétrons da região n são injetados na região p, ocasionando a recombinação do
par elétron-buraco (e-h) o que gera emissão de energia na forma de radiação (luz).
Gap de Energia e Cor da Luz
243
• A cor da luz emitida depende da quantidade de energia
“devolvida” na recombinação dos elétrons com os buracos.
• Esta quantidade depende do tamanho do gap que, por sua
vez, depende do material, e de sua estrutura cristalina.
• Quanto maior o gap, maior a energia da luz gerada, e
portanto maior sua frequência e menor seu comprimento
de onda.
 Eg = hf (onde f é a frequência da luz)
• O gap pode ser ajustado criando ligas de materiais
semicondutores.
 Variando os componentes das ligas e suas proporções, altera-se
o parâmetro de rede (distância entre átomos na estrutura
cristalina).
 Esta variação do parâmetro de rede está diretamente relacionada
com a energia do gap e com a cor da luz gerada.
Si versus Semicondutores III-V
• O silício é o semicondutor mais usado na microeletrônica,
mas não é adequado para a geração de luz.
 A transição entre as bandas implica em perda de energia por
aquecimento, e não apenas via geração de luz.
 Isto está associado a uma característica denominada “gap
indireto”.
• Diversos compostos de elementos das colunas III e V da
tabela periódica são mais adequados.
 Possuem “gap direto”.
 A transição radiativa é eficiente.
• A combinação entre diversos compostos, com diferentes
proporções, oferece uma enorme flexibilidade.
244
A Engenharia do Comprimento de Onda
Variar Egap
Transição Direta
Requisitos para
o Material
Existência de modo
radiativo eficiente
Material pode ser
produzido com
dopagem tipos n & p
245
Materiais dos Grupos III-V
Al
N
AlN, AlP, AlAs
Ga
P
GaN, GaP, GaAs
In
As
InN, InP, InAs
GaAs
GaP
GaAsP
GaAl
GaAsAl
Compostos
Binários
Compostos
Ternários
Perguntas pertinentes na escolha do material:
1. O que acontece quando fazemos esta engenharia?
2. O que podemos esperar da estrutura cristalina destes materiais ?
3. A cor da luz emitida será modificada?
4. Estes materiais devem se comportar de forma similar ao GaAs?
246
Energia do Gap (eV)
A Engenharia do Comprimento de Onda
Parâmetro de Rede (Å)
247
Os LED’s e a Curva de Resposta do Olho
248
Resposta do olho
100
10-1
10-4
GaAs.6P4
GaAs.35P65
GaAs.14P86
GaP:N
ZnSe
10-3
GaN
10-2
350 400 450 500 550 600 650 700 750
Comprimento de Onda (nm)
Materiais utilizados na fabricação dos mais importantes diodos emissores de
luz (LED’s) com cada uma das suas respectivas regiões espectrais.
249
FIM