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Física dos dispositivos semicondutores TEMMecánica QuânticaTermodinâmica Estado Sólido Física dos Semicondutores Física dos Dispositivos Semicondutores.

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Apresentação em tema: "Física dos dispositivos semicondutores TEMMecánica QuânticaTermodinâmica Estado Sólido Física dos Semicondutores Física dos Dispositivos Semicondutores."— Transcrição da apresentação:

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2 Física dos dispositivos semicondutores

3 TEMMecánica QuânticaTermodinâmica Estado Sólido Física dos Semicondutores Física dos Dispositivos Semicondutores Eletrônica INFORMÁTICA Ciência dos materiais Microeletrônica Software

4 Plano do curso 1. Fundamentos da teoria de semicondutores, 1.1. Faixas de energia no cristal semicondutor; 1.2. Estatística de portadores em equilíbrio; 1.3. Processos de geração e recombinação de portadores; 1.4. Transporte de portadores; 2. Dispositivos bipolares, 2.1. Junção p-n; 2.2. Contato metal-semicondutor; 2.3. Diodos; 2.4. Transistor bipolar 3. Dispositivos MOS 3. Dispositivos MOS 3.1. Capacitor MOS 3.1. Capacitor MOS 3.2. Transistor MOS 3.2. Transistor MOS 3.3. Tecnologia CMOS 3.3. Tecnologia CMOS 4. Optoeletrônica, 4.1. Fotodetectores e detectores de partículas; 4.2. Células solares; 4.3. LED 5 Semicondutores compostos, 5.1. Heterojunções; 5.2. Lasers de semicondutores; 5.3. Dispositivos exóticos.

5 Evolução Histórica da Eletrônica n n 1833Faraday descobre que a resistividade do AgCl decresce com a temperatura n n 1873W. Smith descobre que a condutividade do Se é afetada pela iluminação n n 1874Ferdinand Braum descobre efeito retificador do PbS, criando o primeiro diodo metal-semicondutor n n 1904Invenção do diodo a vácuo por Fleming n n 1906Início da era da eletrônica - Lee de Forest inventa o triodo a vácuo n Invenção do transistor por Bardeen, Brattain e Schockley n 1948Invenção do transistor por Bardeen, Brattain e Schockley n n 1959Fairchild Semiconductor introduz o processo planar n n 1959Invenção do circuito integrado por Jack Kilby na Texas Instruments n n 1971Microprocessador 8008, de 8 bits1948 n n n n , 3, 8 MHz, 29 mil n n , 1,5, 12 MHz, 134 mil n n , 1,0, 33 MHz, 275 mil n n , 0,6,100 MHz, 1600 mil n n 1995 Pentium, 0,35,200 MHz, 3300 mil n n ………… … n n 2002 P-IV0,13, 2,8 GHz mil n n 2005 Dual Core0,09, 4,8 GHz mil

6 Propriedades Básicas dos Semicondutores

7 n I.1 Condução elétrica n n Metais: resitividades elétricas bastante baixas ( cm) um único tipo de portador (elétrons de valência) a concentração de portadores não depende da temperatura a resitividade cresce com a o aumento da temperatura o comportamento elétrico pode ser explicado pela física clássica

8 n n Isolantes: não possui portadores livres resitividade muitíssimo alta n n Semicondutores: resistividade muito maior que a dos metais e muito menor que a dos isolantes (10 7 < < cm) possui dois tipos de portadores (elétrons e lacunas) a resistividade diminui com o aumento da temperatura a concentração de portadores pode ser variada com a temperatura, iluminação, pressão, diluição de dopantes, etc. comportamento elétrico não pode ser explicado pela física clássica

9 I.2 Materiais Semicondutores

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11 n n I.3 Estrutura dos materiais semicondutores: amorfos (sem regularidade de médio e longo alcance, ordenação dos primeiros vizinhos) monocristalinos (regularidade completa) policristalinos (regularidade em pequenos volumes) n n Na microeletrônica usam-se os semicondutores monocristalinos (substrators) e policristalinos (portas e interconexões). Os semicondutores amorfos (Si) são usados em conversão fotovoltáica.

12 n n Célula Unitária: n n É o menor volume que por deslocamento nas três dimensões reproduz o sólido monocristalino. n n Bravais demonstrou que só podem existir 14 tipos de células unitárias distribuídas em 7 grupos. Monocristais

13 The simple cubic (a), the body-centered cubic (b) and the face centered cubic (c) lattice. A Unit Cell

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15 The zinc-blende crystal structure of GaAs and InP The diamond lattice of silicon and germanium

16 1.4 Índices de Miller l Uma forma conveniente de especificar planos cristalográficos e direções em uma rede cristalina é proporcionada pelo emprego dos índices de Miller. Para uma rede cúbica os indices (h k l) definem um plano da rede. Método para determinar os índices : 4 - achar as intersecções do plano com os 3 eixos e normalizar em termos do parâmetro de rede a ; achar os recíprocos dessas intersecções; usando multiplicador conveniente obter conjunto de menores inteiros.

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18 Tecnologias principais de silício

19 Processos de fabricação de dispositivos na tecnologia planar do silício n 0. Crescimento epitaxial n 1. Difusão n 2. Oxidação térmica n 3. Implantação iônica n 4. Recozimento n 5. Foto litografia n 6. Deposição de filmes n 7. Ataques úmidos e por plasma, limpezas

20 NMOS

21 CMOS

22 bipolar

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24 Formula de Einstein n D = (kT/q). n D = (kT/q). D – coeficiente de difusão [cm 2 /s] kT/q = V th – thermal voltage [V] - mobility [cm 2 /(V.s)] - mobility [cm 2 /(V.s)]

25 Movimento das partículas n Deriva das partículas n Difusão das partículas n Distribuição de Maxwell–Boltzmann

26 Corrente de deriva – Drift current J = e(nµ n + pµ p )E

27 Mobilidade - Mobility n Lattice scattering n Impurity scattering n Surface scattering

28 Resistividade - Resistivity Resistência de folha – Sheet Resistance

29 Corrente de difusão – Diffusion current n Fick's laws of diffusion 3D 1D

30 Maxwell–Boltzmann distribution

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