209

Semicondutores para Dispositivos

Óticos e Eletrônicos

Livro texto – Cap. 18

210

Semicondutores

• 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)

211

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.

212

Condutividade e Estrutura de Bandas• 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 a corrente flui facilmente

• Isolantes apresentam grande gap de energia entre estas bandas elétrons não conseguem saltar da

banda de valência para a de condução

a corrente não flui

• Semicondutores apresentam gap de energia moderado somente poucos elétrons conseguem

ser excitados para a banda de condução criando “buracos”

apenas uma pequena corrente pode fluir

Isolante

Ener

gia

BC

BV

Gap

Semicondutor

BV

BC

Ener

gia

En

erg

ia

Condutor Metálico

BC

BV

213

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)

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

resultando numa estrutura bastante

estável

estes elétrons são fortemente ligados

pouca quantidade de elétrons livres

Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si

215

Estrutura & Portadores de Carga

• 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 .

• Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de condução para a banda de valência, recombinando assim com um buraco.

e elétron livre

h buraco livre

Estrutura a 0 K Estrutura a 300 K

216

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

semicondutores intrínsecos.

Banda proibida[Egap]

Banda devalênciacheia

Banda decondução

vazia

+e- +e- +e- +e-energiaBanda devalência

parcialmentecheia

Banda decondução

parcialmentevazia

217

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.

h+ h+ h+ h+e- e- e- e-

h+ h+ h+ h+e- e- e-

h+ h+ h+ h+e- e- e-

h+ h+ h+ h+e- e- e-

218

Condutividade Intrínseca

• 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.

219

Concentração de Portadores no Si-i

Si, intrínseco

T= 0 K

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

Si, intrínseco

T= 300 K

220

Dopagem do Silício

• 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

B C N

Al Si P

Ga Ge As

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)

buraco livreSi Si Si

Si B

Si Si Si

Si

Si Si Si

Si P

Si Si Si

Si

elétron livre

III A IV A V A

222

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.

223

Concentração de Portadores no Si Dopado

Si, intrínseco

T= 300 KSi, tipo nT= 300 K

Si, tipo pT= 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

• Semicondutor tipo-n

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.

Semicondutor p

BC

BV

Semicondutor n

En

erg

ia

BC

BV

Elétrons

Buracos

Os níveis de energia das impurezas

(doadoras e receptoras) no Si

225

Dispositivos e Junções

• 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

p

n

pn

Núcleos com elétrons de valência

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 N

PN

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

Evn

Ecp

Evp

eV

Ecp

Evp

Ecn

Evn

Situação inicial

(antes do equilíbrio)

Situação final

(após o equilíbrio)

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 Junção com polarização direta

E

p

n

eV

E

pn

eVdimimui

p n

Campo Interno

+ -

Campo

Externo

Resultante

- +

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 Junção com polarização reversa

E

p

n

eV

p n

E

p

n

eVaumenta

- +

Campo Interno

Campo

Externo

Resultante

- +

231

Polarização

Reversa

Polarização

Direta

Comportamento

Exponencial

Junção pn: Característica V-I

/[ 1]

eV kToI I e

Diodo

, com V>0 para a polarização direta

Tensão de

RupturaFluxo de corrente convencional

Anodo Catodo

232

Junção pn

p = NA, e n = [ni2 / NA] p = [ni

2 / ND], e n = ND

Clique aqui

e arraste

233

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.

234

Dispositivos Baseados na Junção pn

• LED’s

Convertem um sinal elétrico de

entrada em uma saída de luz:

elétron entrando fóton saindo

• 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!

Banda de

Condução

Banda de

Valência

Fóton

Absorvido

Banda de

Valência

Banda de

Condução

235

LED’s

• 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.

236

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

237

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

238

Evolução da Eficiência dos LEDs

2008 – 91 Lumens/Watt

239

O LED na Iluminação

• 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)

240

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.

241

A recombinação produz Luz

: e: h SiO2

Substrato

GaAs-n

Al

ContatoElétrico

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).

LED: A Engenharia de Fabricação

GaAs-p

243

Gap de Energia e Cor da Luz

• 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.

244

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.

245

Requisitos para

o Material

Variar Egap Transição Direta

Material pode ser produzido com

dopagem tipos n & p

Existência de modo radiativo eficiente

A Engenharia do Comprimento de Onda

246

Al

Ga

In

N

P

As

AlN, AlP, AlAs

GaN, GaP, GaAs

InN, InP, InAs

GaAsGaP

GaAl

GaAsP

GaAsAl

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?

Compostos

Ternários

Compostos

Binários

Materiais dos Grupos III-V

247

A Engenharia do Comprimento de Onda

Parâmetro de Rede (Å)

Ener

gia

do

Gap

(eV

)

248

Os LED’s e a Curva de Resposta do Olho

Materiais utilizados na fabricação dos mais importantes diodos emissores de

luz (LED’s) com cada uma das suas respectivas regiões espectrais.

350 400 450 500 550 600 650 700 750

100

10-1

10-2

10-3

10-4

Resposta do olho

Comprimento de Onda (nm)

GaN

ZnS

e

GaP

:N

GaA

s.1

4P

86

GaA

s.3

5P

65

GaA

s.6

P4

249

FIM