Semicondutores

Waffer de silício utilizado na fabricação de chips: país busca domínio da tecnologia

• Antes de falar de semicondutores, temos que lembrar dos constituintes básicos da matéria, os átomos. A área de semicondutores está, sem dúvida, em expansão. Smartphones, tablets e notebooks são alguns dos dispositivos que utilizam chips na sua composição. 

Semicondutores são geralmente sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes, ao contrário do comportamento observado nos metais. 

• Contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se consideravelmente aquecidos, contudo.

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem). A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle de correntes elétricas. 

• Quando intrínsecos, possuem em sua composição tipicamente elemento ou combinação de elementos que lhes confiram uma estrutura covalente com todos os orbitais eletrônicos ligantes de todos os átomos sempre completos. Não há por tal portadores de carga elétrica estruturalmente livres quando puros. 

Quimicamente viáveis há os semicondutores do grupo IV (ver tabela periódica), como os de germânico ou, com vantagens à temperatura ambiente, os de silício; do grupo III-V, com destaque para o arseneto de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arseneto de índio, e certamente outros com estequiometrias mais sofisticadas. 

• Os elementos no composto devem aparecer sempre dispostos em estrutura cristalina sem falhas ou imperfeições, o que justifica o emprego de técnicas de produção elaboradas e especialmente desenvolvidas para garantir tal simetria.

A dopagem é feita utilizando-se elementos diferentes dos que integram a rede semicondutora, usualmente os elementos da coluna III (para semicondutores tipo P) ou da coluna V (para semicondutores tipo N). 

• É contudo também comum o emprego de elementos de outras colunas, incluso a coluna IV, tanto para a obtenção de semicondutores do tipo P como do tipo N. 

Os semicondutores são em muito pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica.

História:

• Em 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor em alguns sulfetos metálicos. Os primeiros elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes iniciou pesquisas no efeito semicondutor, a princípio como curiosidade, pois foi percebido ao acaso pelo cientista.

Embora Hughes não conhecesse o trabalho de James Clerk Maxwell, descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Em função de suas experiências acabou por inventar o detector eletromagnético por efeito semicondutivo, o diodo.

Introdução:

• De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin)ou (-273,15 °C) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de energia mais alta, isto é a banda de valência.

Um facto conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. 

• A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'libertá-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é dezenas de vezes maior. 

Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons.

• Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de condução. Os buraco também chamados de lacunas que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão importante que este buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do elétron, e-

Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. 

• Condutividade elétrica é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. 

A unidade é a recíproca de ohm-metro, isto é, [(Ω-m)-1]. As seguintes discussões sobre propriedades elétricas usam tanto a resistividade quanto a condutividade.

• Materiais sólidos exibem uma espantosa faixa de condutividades. De fato, uma maneira de classificar materiais sólidos é de acordo com a facilidade com que conduzem uma corrente elétrica; dentro deste esquema de classificação existem 3 grupamentos: condutores, semicondutores e isolantes. Metais são bons condutores, tipicamente tendo condutividades da ordem de 107 (Ω-m)-1. 

No outro extremo estão os materiais com muito baixas condutividades, situando-se entre 10-10 e 10-20 (Ω-m)-1; estes são os isolantes elétricos. Materiais com condutividades intermediárias, geralmente entre 10-6 e 104 (Ω-m)-1, são denominados semicondutores. No Sistema Internacional de Unidades, é medida em siemens por metro.  Constitui engano achar que o ouro é o melhor condutor elétrico. 

• Na temperatura ambiente, no planeta Terra, o material melhor condutor elétrico ainda é a prata. Relativamente, a prata tem condutividade elétrica de 108%; o cobre 100%; o ouro 70%; o alumínio 60% e o titânio apenas 1%. 

A base de comparação é o cobre. O ouro, em qualquer comparação, seja no mesmo volume, ou na mesma massa, sempre perde em condutividade elétrica ou térmica para o cobre. Entretanto, para conexões elétricas, em que a corrente elétrica deve passar de uma superfície para outra, o ouro leva muita vantagem sobre os demais materiais, pois sua oxidação ao ar livre é extremamente baixa, resultando numa elevada durabilidade na manutenção do bom contato elétrico. 

• Entre os citados, o alumínio seria o pior material para as conexões elétricas, devido à facilidade de oxidação e à baixa condutividade elétrica da superfície oxidada. Assim, um cabo condutor de cobre com os plugues de contatos dourados levam vantagens sobre outros metais. 

Uma conexão entre superfícies de cobre, soldada com prata constitui a melhor combinação para a condução da eletricidade ou do calor entre condutores distintos.

Tabela de Condutividades Elétricas:

• Material Condutividade (S.m/mm2) 
• Prata 62,5 
• Cobre puro 61,7 
• Ouro 43,5 
• Alumínio 34,2 
• Tungstênio 18,18 
• Zinco 17,8 
• Bronze 14,9 
• Latão 14,9 
• Níquel 10,41 
• Ferro puro 10,2 
• Platina 9,09 
• Estanho 8,6 
• Manganina 2,08 
• Mercúrio 1,0044 
• Nicromo 0,909 
• Grafite 0,07 

Um grupo de pesquisadores liderados pela Universidade Estadual da Carolina do Norte descobriu que agrupando materiais que têm a grossura de apenas 1 átomo pode criar junções semicondutoras capazes de transferir cargas uma à outra,

Condutividade de Semicondutores: 

(com elétrons e lacunas):

• Num condutor sólido existe uma nuvem muito densa de elétrons de condução, que não estão ligados a nenhum átomo em particular. Por exemplo, os átomos de cobre no seu estado neutro têm 29 elétrons à volta do núcleo; 28 desses elétrons estão fortemente ligados ao átomo, enquanto que o último elétron encontra-se numa órbita mais distante do núcleo e sai com maior facilidade para a nuvem de elétrons de condução.

Um pequeno deslocamento da nuvem de elétrons de condução faz acumular um excesso de cargas negativas num extremo e cargas positivas no extremo oposto. As cargas positivas são átomos com um elétron a menos em relação ao número de protões. 

• Quando se liga um fio condutor aos elétrodos de uma pilha, a nuvem eletrônica é atraída pelo elétrodo positivo e repelida pelo elétrodo negativo; estabelece-se no condutor um fluxo contínuo de eletrões desde o elétrodo negativo para o positivo.

Os semicondutores são materiais semelhantes aos isoladores, sem cargas de condução, mas que podem adquirir cargas de condução passando a ser condutores, através de diversos mecanismos: aumento da temperatura, incidência de luz, presença de cargas elétricas externas ou existência de impurezas dentro do próprio material. 

• Atualmente os semicondutores são construídos a partir de silício ou germânio. Os átomos de silício e de germânio têm 4 elétrons de valência. Num cristal de silício ou germânio, os átomos estão colocados numa rede uniforme.

Os átomos de arsênio têm 5 elétrons de valência. 

• Se forem introduzidos alguns átomos de arsênio num cristal de silício, cada um desses átomos estará ligado aos átomos de silício na rede por meio de 4 dos seus elétrons de valência; o quinto elétron de valência ficará livre contribuindo para uma nuvem de elétrons de condução. 

Obtém-se assim um semicondutor tipo N, capaz de conduzir cargas de um lado para outro, através do mesmo mecanismo que nos condutores (nuvem de elétrons es de condução). 

Os átomos de gálio têm três elétrons de valência. 

• Nos semicondutores tipo P existem alguns átomos de gálio dentro de um cristal de silício (ou germânio); os 3 elétrons de valência de cada átomo de gálio ligam-no à rede, ficando um buraco onde um átomo de silício tem um elétron de valência que não está ligado a outro elétron de um átomo vizinho. 

Esses buracos também podem ser usados para transportar corrente; os elétron podem deslocar-se para um átomo de gálio na vizinhança, onde exista um desses buracos. 

• Se os extremos do um fio semicondutor do tipo P forem ligados aos elétrodos de uma pilha. Os buracos perto do elétrodo negativo serão preenchidos com elétrons fornecidos por esse elétrodo; esses elétrons poderão saltar para outros buracos vizinhos e assim sucessivamente. 

Os elétrons deslocam-se no sentido do elétrodo negativo para o positivo, mas saltam apenas de um buraco para o vizinho. No entanto, os buracos deslocam-se todo o percurso desde o elétrodo positivo até o negativo. 

• É semelhante à circulação de automóveis à hora de ponta, quando há filas compactas; os automóveis conseguem apenas deslocar-se uma pequena distância no sentido da estrada, mas aparecem buracos na fila, que se deslocam rapidamente no sentido oposto. 

Assim, quando ligamos um fio semicondutor entre os elétrodos da pilha, o resultado é o mesmo, independentemente do tipo de semicondutor: passagem de cargas positivas do elétrodo positivo para o negativo, e passagem de carga negativa do elétrodo negativo para o positivo. 

• Nos condutores líquidos, gasosos ou em pó existem cargas de condução tanto negativas como positivas. Já vimos por exemplo o caso do eletrólito de uma pilha, onde existem íons positivos e negativos. Num gás ionizado também existem iões positivos e negativos que se podem deslocar dentro do gás. 

Quando existir uma femeá entre dois pontos desse tipo de condutores, os íons positivos e negativos deslocam-se em sentidos opostos. O efeito resultante, em termos de condução de cargas, produzido pelo movimento dos dois tipos de íons é o mesmo: entram cargas negativas no elétrodo positivo e entram cargas positivas no elétrodo negativo. 

Poços, fios e pontos quânticos:

• A principal diferença entre os condutores sólidos é o chamado gap de energia. Ele define qual material é um condutor. Considerando que o gap é a energia necessária para a transição da banda de valência para a banda de condução, quanto menor o gap, mais fácil de promover um elétron de uma banda para a outra e com isso aumentar a condução desse material. 

Os metais possuem sobreposição de suas bandas, o que permite a livre passagem de elétrons (os chamados, elétrons livre), isso é, não há o gap impedindo a corrente elétrica (O que explica o porquê da temperatura alta atrapalhar a passagem de corrente). 

• Já os semicondutores, possuem um gap grande quando comparados aos metais, portanto a condução nesses materiais fica condicionada à energia de excitação dos elétrons, ou seja, quanto maior a temperatura maior será a energia térmica dos elétrons e com isso mais elétrons serão promovidos à banda de condução, aumentando assim a condutividade do material. Cada um dos tipos conhecidos de semicondutores possui um Gap característico.

Esta diferença nos gaps permite, através do uso de semicondutores diferentes, criar-se corredores onde é possível prender os elétrons e restringir seus movimentos. Isto é feito através de sanduíches de semicondutores. 

• Um fatia muito fina (da ordem de algumas dezenas de angstrons) é prensada entre dois 'pães' de material semicondutor com Gap de energia maior que o suficiente para pular para a banda de condução dos 'pães'. Portanto na direção perpendicular ao 'recheio' eles ainda estão confinados à banda de valência. 

As propriedades destes elétrons, devido à restrição de movimento ao plano do 'recheio' e ao tamanho da fatia, podem ser bastante diferentes do semicondutor original. A estrutura obtida desta forma é chamada de poço quântico, apesar de na verdade ser um plano quântico. A ideia do plano foi estendida para uma verdadeira geometria quântica com retas e pontos. 

• Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente.

Fios quânticos:

• Os fios quânticos são formados da mesma maneira que os poços. Para isto é removida um fatia muito fina do 'sanduíche' (levando o 'pão' e recheio) e prensando-a novamente entre outros semicondutores de forma a confinar o movimento dos elétrons a apenas uma direção. Isto cria um fio quântico.

Se agora o processo for novamente repetido, removendo-se um pedaço do fio de prensado-o entre novas camadas de semicondutores, o que temos no final é uma pequena porção de matéria (ex. semicondutor) na qual seus elétrons e buracos estão confinados tridimensionalmente. Esta nanoestrutura é chamada de ponto quântico.

• O termo quântico é usado para descrever estes dispositivos porque a dimensão da largura de confinamento causa uma re-discretização dos níveis de energia criando bandas de energia artificiais e controláveis em laboratório. 

E é neste controle fino dos novos níveis de energia que reside toda a importância destes dispositivos. 

• As propriedades eletrônicas dos elétrons nestas estruturas podem ser construídas e os dispositivos planejados como uma projeto de engenharia. As propriedades destes dispositivos são ainda objeto de estudo e provavelmente estes serão os componentes da eletrônica do futuro.

Existem dois tipos de semicondutores: 

• Tipo N 
• Tipo P 

Numa lâmpada fluorescente, uma força eletromotriz é usada para ionizar o gás. A ionização do gás produz iões positivos e eletrões livres (ver figura abaixo). Se num determinado instante o elétrodo A estiver a maior potencial que o elétrodo B, os iões positivos deslocar-se-ão de A para B, e os eletrões de B para A. 

• A passagem dessas partículas produz colisões com moléculas do gás que produzem mais iões e luz. Assim, uma vez aquecida, é precisa uma diferença de potencial menor para manter o fluxo de cargas na lâmpada.

Existem outros mecanismos de condução das cargas elétricas, como por exemplo o que é usado nos detetores de incêndio. Dentro do detetor existe uma câmara de ionização (cilindro preto) onde a passagem de cargas é devida à produção de partículas alfa emitidas por uma substância radioativa. 

• As partículas alfa são núcleos de hélio, com carga igual a duas unidades elementares de carga. As partículas são disparadas para fora da substância radioativa, passando pelo ar à volta da substância, antes de serem recolhidas num elétrodo no detetor. 

A presença de fumo introduz partículas sólidas no ar, que travam as partículas alfa, produzindo uma redução do número de partículas recolhidas no elétrodo. A redução do fluxo de cargas faz disparar um sinal de alarme.

A Função da Ponte Salina:

• A ponte salina é um tubo de vidro em U, com as extremidades fechadas com material poroso ou gelatinoso, com um tampo em cada extremidade para que o gel não extravase. A função desse tubo é conduzir (íons) elétrons de volta de onde partiram e manter a corrente elétrica ativa entre os dois recipientes contendo suas respectivas soluções. 

No nosso caso aqui, o eletrólito que preenche a ponte salina é o cloreto de potássio (KCl) aquoso, portanto dissociado, forma o ânion cloro (Cl-) e o cátion potássio (K+) desse material gelatinoso. São os cátions e os ânions desse meio que atraem, ou promovem, ou permitem a corrente ou a fruição ou salto dos elétrons que passaram pelo fio condutor e que se juntam a outros produzidos a partir da desagregação do cobre da placa e liberados na solução se sulfato de cobre, juntos; passam pelo tubo e daí voltam para o recipiente com a solução de sulfato de zinco (ZnSO4) do outro lado, que é mais positiva pela liberação do zinco na forma de cátion (Zn++) e que por sua vez atrai os elétrons livres, que daí migram novamente. 

• Conclusão: a função da ponte salina é possibilitar que seus ânions e cátions possam servir de "pedra ou ponto de apoio intercalado, do caminho de obstáculos" na fruição de elétrons.  

Fórmula da Condução no semicondutor representa-se por:

onde:

– condutividade
q – módulo da carga eléctrica do elétrons
n – concentração de eléctrons
p – concentração de lacunas
μn – mobilidade dos eléctrons (1350 cm2/(V.s))
μp – mobilidade das lacunas (500 cm2/(V.s))

Agitação térmica (ionização térmica) ⇒ quebra de ligação covalente⇒ geração de par electrão –lacuna. Também por agitação térmica ⇒ restabelecimento de ligação covalente por recombinação de par electrão –lacuna

Então:

onde: 

• P - concentração de lacunas (lacunas / cm³)N - concentração de electrões livres (electrões / cm³) 
• - concentração intrínseca (portadores / cm³) 
• A é independente da concentração de impurezas dadores; é função da temperatura. 

Modelos de semicondutores, fabricados em Seul, que serão produzidos pela CBS