Semicondutores para Dispositivos Óticos e Eletrônicos · Fluxo de corrente convencional Anodo...
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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
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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-
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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.
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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
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.
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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
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.
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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
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