Semicondutor

Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são em muito pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica.

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.

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 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, pela definição esta energia é abaixo dos 4.5 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é a partir desse valor. 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 buracos 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-

História

Michael Faraday, em 1833, apercebeu-se de que a resistência do Sulfido de Prata descia com a temperatura, o efeito contrário ao esperado com outros materiais.^[1]

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.

Em 1929, Walter Schottky, confirmou experimentalmente a existência de uma barreira de potêncial numa junção Metal-Semicondutor.^[1] (Heterojunção, diodo de Schottky)

Semicondutores Intrínsecos

Os semicondutores são, quando intrínsecos, (sem dopagem, apenas com átomos do semicondutor-base), a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes, pois, possuem na sua composição tipicamente um 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.

Para este tipo de material à temperatura de 0 K, a banda de valência está completamente preenchida e a de condução vazia, logo, mesmo quando aplicado um campo elétrico ao material, não existe corrente elétrica.

Para temperaturas diferentes do zero absoluto, os eletrões da banda de valência têm energia suficiente para transitarem para a banda de condução. Quando isto ocorre, gera-se um portador de carga oposta à do eletrão o buraco (lacuna). Este fenómeno acontece para uma certa temperatura com um ritmo, chamado Ritmo de Geração Térmica. Que em equilibrio termodinâmico é igual ao Ritmo de Recombinação, que é o fenómeno contrário, onde um eletrão liberta energia e regressa à banda de valência.

A densidade de eletrões (n) e buracos (p) nestes materiais, são iguais e, a uma certa temperatura, é designada densidade intrínseca do material.

Alguns valores típicos:

Semicondutor	$n_{i}(m^{-3})$
Si	1.02x10¹⁶
Ge	2.33x10¹⁹
GaAs	2.1x10¹²

Semicondutores Extrínsecos

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a alterarem as suas caracteristicas. A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controlo de correntes elétricas.

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.

Caso o tipo de impurezas dopantes seja doadora, isto é, tem eletrões de valência "dispostos" a sairem da sua orbital, o tipo do semicondutor é N. Isto acontece pois o semicondutor vai ter um excesso de eletrões face ao número de buracos (cargas portadoras de sinal contrário ao dos eletrões). O excesso de eletrões ocorre devido à proximidade da banda de energia mais alta da impureza à banda de condução do semicondutor. Quando o material dopante é adicionado, este aporta seus elétrons mais fracamente ligados aos átomos do semicondutor. Este tipo de agente dopante é também conhecido como material doador já que cede um de seus elétrons ao semicondutor. O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de elétrons livres no material

Análogamente ocorre caso a impureza seja aceitador, isto é, com as orbitais semi-preenchidas, capazes de aceitar elétrons. Irá neste caso ocorrer um excesso de buracos face ao número de eletrões, pois parte destes em vez de se recombinarem com os buracos, foram aceitados pelas impurezas. Neste caso é tipo P. O propósito da dopagem tipo-P é criar abundância de lacunas. Por exemplo, uma impureza trivalente deixa uma ligação covalente incompleta, fazendo que, um dos átomos vizinhos ceda-lhe um elétron completando assim as suas quatro ligações. Assim os dopantes criam as lacunas. Cada lacuna está associada com um íon próximo carregado negativamente,

portanto o semicondutor mantém-se eletricamente neutro. Entretanto quando cada lacuna se move pela rede, um próton do átomo situado na posição da lacuna se vê "exposto" e logo se vê equilibrado por um elétron. Por esta razão uma lacuna comporta-se como uma carga positiva. Quando um número suficiente de aceitadores de carga são adicionados, as lacunas superam amplamente a excitação térmica dos elétrons. Assim, as lacunas são os portadores majoritários, enquanto os elétrons são os portadores minoritários nos materiais tipo P.

Os semicondutores (não degenerados) tipo-N têm o nivel de Fermi mais próximo da banda de condução, enquanto que os tipo-P, têm o nivel de Fermi mais próximo da banda de valência

Distribuição Quântica dos Eletrões

Os eletrões enquanto particulas quânticas obedecem a dois postulados.

- Principio de Exclusão de Pauli

- Principio da Indiscernibilidade

Como tal, é possível descrever a distribuição de eletrões pelos estados quanticos de energia W disponiveis através da função de Fermi-Dirac.

$f(W)={\frac {1}{1+e^{\frac {W-W_{F}}{kT}}}}$ ,

Com $W$ a energia do estado quântico a considerar, $W_{F}$ , a energia de Fermi, $T$ , a temperatura e $k$ , a constante de Boltzmann.

Esta função com contra-dominio de 0 a 1, indica o grau de preenchimento àquela energia por parte dos eletrões.

Energia de Fermi define-se como:

$f(W_{F})=0.5$

A função de densidade de estados de energia^[2] na banda de condução é dada pela expressão:

$g(W)={\frac {dN}{dW}}={\frac {8\pi {\sqrt {2}}}{h^{3}}}m_{n}^{*3/2}{\sqrt {(W-W_{C})}}$

com,

$W>W_{C}$

Onde, $h$ , é a constante de Planck, $m_{n}^{*}$ , a massa eficaz do eletrão, $W_{C}$ , energia mínima da banda de condução.

A densidade em volume de eletrões relaciona-se com o produto destas duas funções, a primeira indica a probabilidade de encontrar um eletrão num certo estado quântico e a segunda, a densidade de estados a uma certa energia. Então:

$n\propto f(W)g(W)$

Mecanismos de Condução

Tanto eletrões como buracos são responsáveis pelo movimento de cargas. No processo de movimento destas particulas num semicondutor, na ausência de forças exteriores, considera-se um movimento aleatório, sendo o valor de velocidade média destas particulas nulo, logo não existe corrente elétrica. Mas quando aplicado um campo elétrico, aparece uma força, que altera o comportamento cinético daspartículas, ficando-se agora com um movimento não completamente aleatório, mas sim orientado no sentido das linhas do campo elétrico, no caso dos buracos, ou orientado no sentido oposto, no caso dos eletrões.

Definindo mobilidade dos eletrões como $\mu _{n}$ e mobilidade dos buracos como $\mu _{p}$ , tem-se uma formula para a condutividade do semicondutor.

$\sigma =q(n\mu _{n}+p\mu _{p})$

Com $q$ o módulo da carga do eletrão e $n,p$ as densidades de eletrões e de buracos respetivamente.

Semicondutores Compostos

Existem vários tipos de semicondutores compostos, binários, ternários e quaternários.

Os semicondutores binários mais usuais são geralmente feitos com dois elementos do grupo IV, ou como combinação entre dois elementos dos grupos III e V, ou II e VI.

Os ternários obtêm-se através da combinação de dois binários com um elemento em comum, e os outros dois pertencendo ao mesmo grupo da Tabela Periódica. Respeitando a fórmula:

$AB+CB\rightarrow A_{x}C_{1-x}B,$ com $x$ entre 0 e 1 e que tem significado de concentração relativa do elemento.

Por sua vez, os compostos quaternários, são feitos a partir da combinação de 4 compostos binários. De maneira análoga aos ternários:

$AC+AD+BC+BD\rightarrow A_{x}B_{1-x}C_{y}D_{1-y}$

As aplicações dos semicondutores compostos são variadas, tais como em LASER e outros dispositivos optoeletrónicos.

Ver também

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Referências

Baptista, Fernandes, Pereira, Paisana, António, Carlos, Jorge, José (2012). Fundamentos de Eletrónica. [S.l.]: LIDEL. p. 26. ISBN 978-972-757-872-6

↑ ^a ^b Lidia Łukasiak e Andrzej Jakubowski (2010). «History of Semiconductors» (PDF). Consultado em 30 de dezembro de 2014
↑ Bart J. Van Zeghbroeck (1996). «Carrier density and the fermi energy». Consultado em dezembro de 2014 Verifique data em: |acessodata= (ajuda)

[:0-1] Lidia Łukasiak e Andrzej Jakubowski (2010). «History of Semiconductors» (PDF). Consultado em 30 de dezembro de 2014

[2] Bart J. Van Zeghbroeck (1996). «Carrier density and the fermi energy». Consultado em dezembro de 2014 Verifique data em: |acessodata= (ajuda)

[1]

[2]