Física dos dispositivos semicondutores

Física dos Semicondutores Física dos Dispositivos Semicondutores TEM Termodinâmica Mecánica Quântica Estado Sólido Ciência dos materiais Física dos Semicondutores Eletrônica Física dos Dispositivos Semicondutores Software Microeletrônica INFORMÁTICA

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 3.1. Capacitor MOS 3.2. Transistor MOS 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.

Evolução Histórica da Eletrônica 1833 Faraday descobre que a resistividade do AgCl decresce com a temperatura 1873 W. Smith descobre que a condutividade do Se é afetada pela iluminação 1874 Ferdinand Braum descobre efeito retificador do PbS, criando o primeiro diodo metal-semicondutor 1904 Invenção do diodo a vácuo por Fleming 1906 Início da era da eletrônica - Lee de Forest inventa o triodo a vácuo 1948 Invenção do transistor por Bardeen, Brattain e Schockley 1959 Fairchild Semiconductor introduz o processo planar 1959 Invenção do circuito integrado por Jack Kilby na Texas Instruments 1971 Microprocessador 8008, de 8 bits1948 1976 8086 1979 8088, 3 , 8 MHz, 29 mil 1982 80286, 1,5 , 12 MHz, 134 mil 1985 80386, 1,0 , 33 MHz, 275 mil 1991 80486, 0,6 , 100 MHz, 1600 mil 1995 Pentium, 0,35 , 200 MHz, 3300 mil … … … … … 2002 P-IV 0,13 , 2,8 GHz 60.000 mil 2005 Dual Core 0,09 , 4,8 GHz 172.000 mil

Propriedades Básicas dos Semicondutores

I.1 Condução elétrica Metais: resitividades elétricas bastante baixas (  10-4 - 10-6 .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

Isolantes: não possui portadores livres resitividade muitíssimo alta Semicondutores: resistividade muito maior que a dos metais e muito menor que a dos isolantes (10 7 <  < 10 -3 .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

I.2 Materiais Semicondutores

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) Na microeletrônica usam-se os semicondutores monocristalinos (substrators) e policristalinos (portas e interconexões). Os semicondutores amorfos (Si) são usados em conversão fotovoltáica.

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

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

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

1.4 Índices de Miller 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 : - 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.

Tecnologias principais de silício

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

NMOS

CMOS

bipolar

bipolar

Formula de Einstein D = (kT/q). D – coeficiente de difusão [cm2/s] kT/q = Vth – thermal voltage [V]  - mobility [cm2/(V.s)]

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

Corrente de deriva – Drift current J = e(nµn + pµp)E

Mobilidade - Mobility Lattice scattering Impurity scattering Surface scattering

Resistividade - Resistivity Resistência de folha – Sheet Resistance

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

Maxwell–Boltzmann distribution

Fim