Universidade Federal de Itajubá

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Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação ELT303 – Eletrônica Analógica I Materiais Semicondutores e Junção PN Prof. Paulo C. Crepaldi Prof. Leonardo B. Zoccal Grupo de Microeletrônica

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação Atenção O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao acompanhamento da disciplina. Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público. Grupo de Microeletrônica

Resistividade: Conceito Considere uma amostra de um material submetida a uma diferença de potencial (V) como ilustrado ao lado. Pela lei de Ohm, a corrente (I) mantém uma relação com V através de uma grandeza que é a Resistência Elétrica (R): V + _ I L A A Resistência Elétrica depende da geometria (L e A) da amostra e de uma característica intrínseca do material que é a Resistividade (r): George Simon Ohm (1789 – 1854) OBS: Entende-se por corrente elétrica a deriva de portadores de carga em função da presença de um campo elétrico (Adendo 1). Grupo de Microeletrônica

Resistividade: Conceito Dependendo do valor da resistividade, podemos classificar os materiais em condutores (opõem baixa resistência ao fluxo de corrente), isolantes (opõem alta resistência ao fluxo de corrente) e semicondutores (apresentam valores de resistência entre os limites dos condutores e isolantes). Condutores Quartzo (fundido) 9.1016 Mica 5.1016 Âmbar 1012 a 1013 Vidro 21,4.104 Silício (puro) 47 Germânio (puro) 2,8.10-6 Alumínio 2,3.10-6 Ouro 1,7.10-6 Cobre 1,6.10-6 Prata Resistividade (Ohm.cm) Elemento Semicondutores Isolantes Tabela Comparativa entre níveis de Resistividade (Observar as várias ordens de grandeza que separam os limites inferior e superior da Resistividade) Grupo de Microeletrônica

Resistividade: Tabela Comparativa e Elementos Semicondutores (simples e compostos) Tabela Comparativa entre níveis de Resistividade e Condutividade e Elementos Semicondutores (Simples ou Compostos) 5 Grupo de Microeletrônica 5

Materiais Semicondutores: Silício Principais motivos para o uso de materiais semicondutores na indústria eletrônica: Obtenção de altos graus de pureza (Adendo 2); Disponibilidade (20% a 30% da crosta terrestre - silicatos); Modificação de suas características elétricas em função da Dopagem, da Temperatura e da Luz (possibilidade de fabricação de dispositivos especializados, por exemplo, sensores). As análises a seguir serão baseadas no material semicondutor Silício. Contudo, todos os conceitos apresentados podem ser, qualitativamente, estendidos para outros materiais semicondutores (simples ou compostos). Cilindro de Silício processado e pronto para ser “cortado” para a obtenção dos “Wafers” Silício em estado bruto Grupo de Microeletrônica

Silício: Estrutura Atômica (Átomo de Bohr) Para compreender as características elétricas do semicondutor Silício (Si) é necessário uma investigação em nível atômico. Para tanto, reproduz-se aqui o Modelo de Bohr para um átomo de Si. Observar que apesar de ser uma estrutura tridimensional, ele está representado de uma forma planar. Niels Henrik David Bohr ( ) Dois componentes principais: Um núcleo, em que estão presentes 14 Prótons (carga positiva) e 14 Nêutrons (carga nula); Uma eletrosfera, em que estão presentes 14 Elétrons (carga negativa). Existe um equilíbrio eletrostático uma vez que as cargas positivas e negativas estão em igualdade. Grupo de Microeletrônica

Silício: Estrutura Atômica (Átomo de Bohr) A distribuição dos elétrons obedece a solução da equação de Schrödinger que quantifica a energia total (potencial + cinética) destes portadores. Esta solução indica que existem órbitas específicas estabelecendo níveis discretos de energia. Entre as órbitas existe um Gap de energia que representa estados proibidos. Quanto mais afastada a órbita, maior o estado de energia. Erwin Schrödinger. ( ) Existe uma tendência na natureza para que os sistemas fiquem nos seus estados mínimos de energia. Então, estão preenchidas as 3 primeiras órbitas o que não significa que existam outras órbitas mais externas que também representam soluções para o equacionamento de Schrödinger. A última órbita é chamada de órbita de valência e possui 4 elétrons. Assim, o Si é dito ser tetravalente. A órbita de valência, através de seus elétrons, é responsável pelas propriedades químicas e elétricas do material. Grupo de Microeletrônica

Silício: Átomo de Bohr (Níveis de Energia) Existe a possibilidade de se alterar o posicionamento de um elétron mudando-o de uma órbita para outra. Para ascender a uma órbita superior é necessário receber energia externa que seja pelo menos igual à energia do Gap. Ao retornar à orbita inferior (lembre-se que os sistemas tendem a estar nos estados de energia mínima) deve liberar a diferença de energia relativa ao Gap. DE ≥ gap DE = gap Por estarem mais fracamente presos ao núcleo (atração eletrostática), os elétrons da órbita de valência são os que mais têm a maior probabilidade de, ao receber energia, passarem para órbitas mais externas. A energia externa entregue ao átomo pode estar na forma de luz, calor, ou ainda, resultante do choque de outra partícula com o elétron. A energia liberada pode estar na forma de calor ou de luz. Grupo de Microeletrônica

Silício: Ligações Covalentes e Estrutura Cristalina A mecânica quântica mostra que para um material adquirir estabilidade química é necessário que a órbita de valência possua 8 elétrons. Como o átomo de Si é tetravalente, ele se une a outros 4 átomos para estabelecer um compartilhamento da órbita de valência e, desta forma, cada átomo possuir, dinamicamente, os 8 elétrons necessários para a estabilidade. Este tipo de ligação é chamada de ligação covalente. Novamente, a representação está sendo feita de uma forma planar. Na realidade, ao formar as ligações covalentes, o silício apresenta uma estrutura tridimensional harmônica (estrutura cristalina) que se repete no espaço. Ligações Covalentes no Silício Cristal de Silício Grupo de Microeletrônica

Silício: Estrutura Cristalina (Semicondutor Intrínseco) O silício em sua forma cristalina, para ser utilizado na industria de semicondutores, passa por um processo de purificação em alto grau (99,9999%). Isto significa algo em torno de 1 átomo de impureza para cada 10 bilhões de átomos de silício. Neste caso, o cristal de silício é dito ser intrínseco, ou seja, as suas propriedades elétricas são função apenas dos átomos de silício e não dos átomos de impurezas. Deve-se observar, ainda, que o cristal de silício permanece eletricamente neutro pois o número de prótons continua sendo contrabalançado, em igualdade, pelo número de elétrons. Silício: Modelo de Cargas Envolventes Dependendo da posição do átomo de Si na estrutura cristalina, ele pode apresentar uma pequena diferença nos níveis de energia que representam as suas órbitas. 1cm3 de uma amostra de Si intrínseco possui, aproximadamente, átomos, ou seja, ao representar as órbitas, vai aparecer uma grande quantidade delas muito próximas umas das outras. Este conjunto de órbitas passa a ser chamado de Banda de Energia e, particularmente para a última órbita, teremos uma Banda de Valência (BV). Grupo de Microeletrônica

Cristal de Silício: Bandas de Energia e Geração Térmica de Pares Elétron-Lacuna O cristal de silício apresenta uma Gap de 1,1[eV] entre a Banda de Valência e a Banda de Energia relativa às próximas órbitas (Adendo 3) Na temperatura ambiente (TAMB= 270C = 300K), a energia térmica cedida ao cristal permite “quebrar” algumas ligações covalentes (1,5.1010/cm3). Assim, elétrons passam da BV para a próxima de Banda de Energia deixando em seu lugar uma ligação covalente incompleta. A ausência deste elétron é denominada de lacuna. O processo recebe o nome de: Geração de Pares Elétron-Lacuna. Como existe a tendência do material estar no seu estado de energia mínimo, elétrons retornam para a BV liberando energia. Este processo é chamado Recombinação e restabelece a ligação covalente quebrada. Em uma situação de Equilíbrio Térmico: Taxa de Geração = Taxa de Recombinação Grupo de Microeletrônica

Cristal de Silício: Corrente de Elétrons e de Lacunas Se aplicarmos uma diferença de potencial (ddp)a um cristal de silício (TAMB) vamos observar a presença de uma corrente elétrica. Contudo, diferentemente de um material metálico, esta corrente é composta por dois tipos de portadores: os elétrons e as lacunas. Na Banda de Energia acima da BV existem muitos níveis de energia disponíveis e uma quantidade reduzida de elétrons. Pela presença da ddp, estes elétrons, com pequenos ajustes de energia, podem caminhar de um átomo para outro estabelecendo um fluxo ordenado de portadores de carga. Os elétrons presentes nesta Banda de Energia, pela sua liberdade de locomoção, são chamados de elétrons livres e por permitir a condução de uma corrente elétrica a banda passa a se chamar de Banda de Condução (BC). A figura ao lado ilustra a presença desta corrente de elétrons (IN) e a sua representação em termos de circuito elétrico será a convencional (fluxo contrário ao fluxo dos elétrons uma vez que são modelados como portadores de carga negativa). Grupo de Microeletrônica

Cristal de Silício: Corrente de Elétrons e de Lacunas As lacunas também contribuem para o transporte de corrente no Si. Se consideramos que os elétrons na BV estão em constante movimento, eles podem (também com pequenos ajustes de energia e sob ação da ddp) ir passando de lacuna em lacuna fazendo parecer que ela está se deslocando em sentido contrário. As lacunas são modeladas, então, como portadores de carga positivos e constituem uma corrente elétrica (IP) na BV. A figura ao lado ilustra a presença desta corrente de lacunas (IP) e a sua representação convencional. Grupo de Microeletrônica

Semicondutores: Observações Importantes A corrente total, no cristal semicondutor, é a soma das correntes de elétrons e de lacunas (IT = IN + IP); Por apresentar a condução de corrente através de dois tipos de portadores, o material semicondutor recebe a denominação bipolar; Na temperatura de zero absoluto (-273,150C) o semicondutor comporta-se como um isolante uma vez que não existe a geração térmica de pares elétron-lacuna; O coeficiente térmico da resistividade do semicondutor é negativo, ou seja, um aumento na temperatura representa uma diminuição na resistividade (Si = -0,075 [0C-1] e Ge -0,048 [0C-1]) ; Por estarem na BC, onde existe uma grande disponibilidade de estados de energia, os elétrons apresentam uma maior Mobilidade (m) em relação às lacunas que estão na BV (mN ≤ 1400 [cm2/V.s] e mP ≤ 450 [cm2/V.s]). Em termos práticos, considerar a mobilidade dos elétrons de 2 a 3 vezes maior. Grupo de Microeletrônica

Semicondutores: Cristais Extrínsecos Para aumentar a capacidade de corrente dos semicondutores intrínsecos e, com isto, poder produzir dispositivos eletrônicos dentro de uma realidade prática de uso, estes cristais passam por um processo chamado de Dopagem. Um cristal dopado é, então, dito ser Extrínseco. Através deste processo, de forma muito bem controlada, é possível alterar a disponibilidade tanto de elétrons na BC quanto de lacunas na BV. A idéia fundamental é inserir impurezas no cristal intrínseco de modo a provocar a substituição de alguns átomos de sua estrutura. Dependendo da valência (quantidade de elétrons na órbita de valência) desta impureza obtém-se dois tipos de cristais: Um, denominado de Cristal N, em que houve uma aumento dos portadores elétrons; Outro, denominado Cristal P, em que houve um aumento dos portadores lacunas. Os níveis de dopagem situam-se, tipicamente, na faixa de uma parte para 10 milhões (compare com o grau de pureza de uma parte para cada 10 bilhões). Entretanto, cristais fortemente dopados podem degenerar e migrar o seu comportamento de semicondutor para condutor. Grupo de Microeletrônica

Semicondutores: Cristal N Para aumentar o número de elétrons na BC, a dopagem é feita com átomos pentavalentes (5 elétrons na órbita de valência). Assim, 4 elétrons do dopante são usados para formar as ligações covalentes com os átomos de Si e o quinto elétron fica muito fracamente preso ao átomo original. Em outras palavras, a energia térmica do meio ambiente é mais do que suficiente para levá-lo à BC. Diz-se que os dopantes estabelecem um Nível de Energia dos Doadores pois cada um deles “doa” um elétron para a BC. Cristais N com níveis de dopagem mais leves são simbolizados por N- e com níveis de dopagem mais elevados por N+ Observar que a geração térmica de pares elétrons continua a existir, contudo, a maioria dos elétrons na BC são advindos do processo de dopagem. Por esta razão são chamados de Portadores Majoritários. As lacunas, por sua vez, constituem os Portadores Minoritários. Grupo de Microeletrônica

Semicondutores: Cristal P Para aumentar o número de lacunas na BC, a dopagem é feita com átomos trivalentes (3 elétrons na órbita de valência). Assim, 3 elétrons do dopante são usados para formar as ligações covalentes com os átomos de Si e fica faltando um elétron, ou seja, inseriu-se uma lacuna. Diz-se que os dopantes estabelecem um Nível de Energia dos Aceitadores pois cada um deles “aceita” um elétron para a este nível deixando uma lacuna na BV. Este nível está muito próximo da BV de modo que a temperatura ambiente, todos dopantes contribuem com uma lacuna. Cristais P com níveis de dopagem mais leves são simbolizados por P- e com níveis de dopagem mais elevados por P+ Observar que a geração térmica de pares elétrons continua a existir, contudo, a maioria dos lacunas na BV são advindas do processo de dopagem. Por esta razão são chamados de Portadores Majoritários. Os elétrons, por sua vez, constituem os Portadores Minoritários. Grupo de Microeletrônica

Cristais N e P: Observações Complementares Considerando-se o nível atômico, cada átomo dopante é um Íon. Positivo no caso do dopante pentavalente (perdeu um elétron) e negativo no caso do dopante trivalente (perdeu uma lacuna); Macroscopicamente, entretanto, os cristais N e P permanecem eletricamente neutros ; Os dopantes pentavalentes mais comuns são: Fósforo (P), Arsênio (AS) e Antimônio (Sb) ; Os dopantes trivalentes mais comuns são: Boro (B), Gálio (Ga) e Índio (In). Exemplos de Cristais N e P (Bohr) Íon Positivo Íon Negativo Grupo de Microeletrônica

Junção PN: Gradiente de Concentração Representa uma das estruturas mais importantes na fabricação de diversos componentes eletrônicos. É formada pela união de um cristal do tipo N com um cristal do tipo P. Algumas literaturas referem-se a esta junção como junção metalúrgica. Como o cristal P tem lacunas em maioria (portadores majoritários) e o cristal N tem elétrons em maioria (portadores majoritários), ao se juntar os dois existe, na região da junção, um Gradiente de Concentração. Este Gradiente força a difusão de portadores majoritários do lado em que está mais concentrado para o lado em que está menos concentrado, ou seja, lacunas vão se difundir do lado P para N e elétrons do lado N para P. O processo de difusão se inicia com os portadores que estão mais próximos da junção. Junção PN Grupo de Microeletrônica

Junção PN: Difusão de Portadores e Formação da Região de Depleção Ao atravessarem a junção, os portadores majoritários deixam atrás de si os seus átomos originais “descobertos”, ou seja, deixam atrás de si íons. Positivos no cristal N (átomos pentavalentes que perdem elétrons) e negativos no cristal P (átomos trivalentes que perdem uma lacuna). Os portadores majoritários ao cruzarem a junção estão em um cristal em que são minoria. Portanto, existe uma grande probabilidade de recombinação. Em outras palavras: o portador majoritário que cruza a junção “não consegue ir muito longe” pois logo encontra um portador de sinal oposto para recombinar. Vai se formando no entorno da junção uma região de cargas espaciais, fixas na estrutura, que se denomina de Região de Depleção ou Região de Exaustão (Adendo 4) Observar que esta região caracteriza pela presença de dipolos elétricos que têm associado a eles um Campo Elétrico. Junção PN: Formação da região de Depleção Grupo de Microeletrônica

Junção PN: Barreira de Potencial O campo elétrico criado pelos dipolos está em um sentido que contraria a difusão de portadores majoritários através da junção. Ele pode atingir um valor, grande o suficiente, para impedir que o processo de difusão continue. O cristal N perdeu elétrons para o cristal P e ele está ligeiramente positivo em relação ao P. O cristal P perdeu lacunas para o cristal N e está ligeiramente negativo em relação ao N. Esta situação pode ser modelada pela presença de uma “bateria” (interna, presente na região da junção) e atua como uma barreira para que o processo de difusão continue. Esta bateria é a chamada Barreira de Potencial (VT ou Vg). Outro ponto a se comentar diz respeito a largura da região de depleção (W). Na prática este valor é da ordem de micrometros e varia em função dos níveis de dopagem dos cristais. Quanto maior a dopagem, menor a penetração da região no respectivo cristal. Barreira de potencial Grupo de Microeletrônica

Junção PN: Análise com a Presença dos Portadores Minoritários Os portadores minoritários (elétrons em P e lacunas em N), ao contrário dos majoritários, são acelerados pelo campo elétrico e caminham em direção à junção. Este processo de movimentação pela presença de um campo elétrico é chamado de Deriva dos portadores. Ao irem em direção à junção podem neutralizar os íons presentes na região de depleção; em N um íon positivo que ganha um elétron e em P um íon negativo que ganha uma lacuna. O valor do campo elétrico diminui e o processo de difusão pode recomeçar restabelecendo os íons. Resumindo: Tem-se um processo dinâmico em que se alcança um equilíbrio entre o fluxo de portadores majoritários por difusão e o fluxo de portadores minoritários por deriva. Se for associado a este fluxo de portadores uma corrente elétrica pode-se dizer que: IDERIVA = IDIFUSÃO Grupo de Microeletrônica

Junção PN: Observações Importantes Toda análise aqui desenvolvida pressupõe que a junção PN esteja em equilíbrio térmico e não esteja sob ação de nenhum tipo de campo eletromagnético; O valor de VT depende dos níveis de dopagem dos cristais, do tipo de material semicondutor e da temperatura; Para o Si, VT vale aproximadamente e tem um coeficiente térmico de -2mV/0C. Para o Ge, VT vale aproximadamente Não é possível medir a tensão VT com um multímetro (escala voltimétrica)!! Algumas literaturas fazem menção a esta tensão como sendo Vbi (built-in voltage), uma tensão embutida. Para se avaliar o seu valor é necessário tirar a junção PN da condição de equilíbrio; Macroscopicamente, a junção PN, em equilíbrio, permanece eletricamente neutra; A região de depleção pode ser modelada como um isolante uma vez que não possui portadores de carga (qualquer portador nesta região será acelerado “para fora” pela presença do campo elétrico). As regiões restantes dos cristais N e P são, normalmente, referenciadas como regiões neutras e continuam a ser consideradas semicondutoras. Grupo de Microeletrônica

Adendo 1: Corrente de Deriva
Universidade Federal de Itajubá Adendo 1: Corrente de Deriva Alguns dispositivos eletrônicos, por exemplo os transistores de efeito de campo, caracterizam-se por apresentar a predominância da corrente de deriva em seu funcionamento. A corrente de deriva está relacionada com a presença de um campo elétrico. Observar a figura na seqüência. Os portadores de carga (no caso está representado um lacuna) apresentam um movimento aleatório devido a presença da energia térmica do meio ambiente. O deslocamento resultante é zero por se tratar, justamente, de um fenômeno aleatório. Contudo, com a presença de um campo elétrico existe a superposição dos efeitos aleatórios e dos efeitos causados pelo campo. Desta forma, existe um deslocamento resultante diferente de zero. Corrente de Deriva: Presença de um Campo Elétrico retornar 25 Grupo de Microeletrônica 25

Adendo 2: Fabricação de Circuitos Integrados
Universidade Federal de Itajubá Adendo 2: Fabricação de Circuitos Integrados retornar Algumas fotos que exemplificam partes do processo de fabricação de um CI (Circuito Integrado). Observar a necessidade de se trabalhar com roupas especiais para evitar a contaminação de impurezas. As salas recebem a denominação de salas limpas. Uma sala limpa classe 1 (usada para a fabricação de dispositivos com geometria sub-micron) representa, no máximo, uma partícula (maior que 0,5mm) por pé cúbico (ft3) (≈ 0,03m3) de ar. DIE 26 Grupo de Microeletrônica 26

Adendo 3: Comparação entre Bandas de Energia
Universidade Federal de Itajubá Adendo 3: Comparação entre Bandas de Energia retornar Como informação complementar, verificar na figura a seguir, a diferença entre bandas de energia para metais, materiais semicondutores e isolantes. Observar a facilidade (ou dificuldade) que os portadores de carga têm, em cada tipo de material, para transitar entre as bandas de valência (VB – Valence Band)) e condução (CB – Conduction Band). Bandas de Energia para Metais, Semicondutores e Isolantes Nos metais existe uma superposição das bandas, indicando que o seu comportamento se mantém mesmo a baixas temperaturas. Já o isolante, para haver condução, é necessário rompê-lo, ou seja, o material deverá ser exposto a uma grande quantidade de energia. 27 Grupo de Microeletrônica 27

Adendo 4: Junção PN (outra abordagem)
Universidade Federal de Itajubá Adendo 4: Junção PN (outra abordagem) retornar O valor máximo do campo elétrico ocorre na junção metalúrgica entre os dois cristais. As regiões em que o campo elétrico é zero são denominadas de “Neutras”. Observar que existe uma diferença de potencial associada à região de depleção ( nesta região o cristal N é mais positivo que o cristal P). -xP +xN 28 Grupo de Microeletrônica 28

Adendo 5: Propriedades do Silício
Universidade Federal de Itajubá Adendo 5: Propriedades do Silício Silício Policristalino Linhas Espectrais O silício (latim: silex, sílex ou "pedra dura") é um elemento químico de símbolo Si de número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons) com massa atómica igual a 28u. À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido. Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, perfazendo mais de 28% de sua massa. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício (também conhecido como sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais). O silício é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes semicondutores e dos silicones, que são substâncias plásticas muitas vezes confundidas com o silício. Pertence ao grupo 14 (IVA) da Classificação Periódica dos Elementos. Se apresenta na forma amorfa e cristalina; o primeiro na forma de um pó pardo mais reativo que a variante cristalina, que se apresenta na forma octaédrica de coloração azul grisáceo e brilho metálico. Distribuição Eletrônica 29 Grupo de Microeletrônica 29

Adendo 6: Um pouco de história
Universidade Federal de Itajubá Adendo 6: Um pouco de história Diodo a válvula de Fleming (1904) Estes dispositivos também são referenciados como Tubo à Vácuo ou Válvula Termiônica John Ambrose Fleming ( ) 30 Grupo de Microeletrônica 30

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