Semicondutores para Dispositivos Óticos e Eletrônicos. Livro texto Cap. 18

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1 209 Semicondutores para Dispositivos Óticos e Eletrônicos Livro texto Cap. 18

2 Propriedades básicas Grupo de materiais com condutividade elétrica intermediária entre os metais e os isolantes. Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes. Aplicações Maioria dos componentes eletrônicos do computador. São a base da tecnologia de opto-eletrônica - lasers, LED s, detectores, circuitos integrados óticos e células solares. Semicondutores (S/m) 210

3 Os semicondutores na tabela periódica 211 Alguns elementos (colunas II, III, V, VI), quando combinados entre si (ligas III-V, II-VI, etc.) assumem propriedades semicondutoras.

4 Energia Energia Energia Condutividade e Estrutura de Bandas 212 A separação (gap) entre a banda de valência e a banda de condução determina a propriedade elétrica do material Nos condutores os elétrons passam facilmente para a BC e portanto estão essencialmente livres a corrente flui facilmente Isolantes apresentam grande gap de energia entre estas bandas elétrons não conseguem saltar da banda de valência para a de condução a corrente não flui Semicondutores apresentam gap de energia moderado somente poucos elétrons conseguem ser excitados para a banda de condução criando buracos apenas uma pequena corrente pode fluir BC BV Condutor Metálico BC Gap BV Isolante BC BV Semicondutor

5 Condutividade e Elétrons Livres 213 Condutores Metais (1 e/átomo, livre para se mover, ou e/cm 3 ) Isolantes Cerâmicos (óxidos, de 0 a e/átomo, ou até 10-2 e/cm 3 ) Semicondutores Germânio (10-8 e/átomo ou e/cm 3 ) Silício puro (10-12 e/átomo ou e/cm 3 ) Silício dopado (10-9 a 10-7 e/átomo ou a e/cm 3 ) Arseneto de Gálio (10-16 e/átomo ou 10 6 e/cm 3 )

6 Silício Puro (Intrínseco) 214 O silício tem 4 elétrons de valência. Quando sólido os átomos se ligam, produzindo uma rede cristalina. Denominamos este sólido como silício intrínseco (Si-i). Os elétrons de valência são compartilhados com os átomos vizinhos resultando numa estrutura bastante estável estes elétrons são fortemente ligados pouca quantidade de elétrons livres Si Si Si Si Si Si Si Si Si

7 Estrutura & Portadores de Carga 215 Nos semicondutores, a energia térmica na temperatura ambiente pode ser suficiente para romper a ligação atômica de um elétron, fazendo-o saltar da banda de valência para a banda de condução, e produzindo um par elétron-buraco. e elétron livre h buraco livre Estrutura a 0 K Estrutura a 300 K Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de condução para a banda de valência, recombinando assim com um buraco.

8 Formação de Cargas Livres num SC 216 Quando a vibração dos átomos da rede cristalina é capaz de romper uma das ligações Si-Si, temos que o elétron envolvido nesta ligação recebeu uma quantidade de energia suficiente para excitá-lo de um estado no topo da banda de valência para um estado no fundo da banda de condução. A ligação rompida com esta vibração (ou ligação faltante) corresponde à formação de um buraco na banda de valência. Esta transição resulta em igual número de elétrons na BC e de buracos na BV. Esta é uma importante propriedade dos semicondutores intrínsecos. energia +e - +e - +e - +e - Banda Banda de de condução parcialmente vazia vazia Banda proibida [E gap ] Banda de Banda valência de valência parcialmente cheia cheia

9 Elétrons, Buracos, Condutividade 217 Os elétrons excitados para a BC têm à sua disposição inúmeros níveis de energia livres e portanto podem se deslocar, contribuindo para a condutividade do material. Os buracos deixados na BV, por sua vez, correspondem a níveis livres para onde outros elétrons podem se mover, deixando outros buracos, e assim por diante. É mais simples descrever este movimento na BV como o de cargas positivas, buracos, que se deslocam no sentido contrário ao dos elétrons. Assim, os buracos também contribuem para a condutividade de um semicondutor. h e + - h e + - h e + - h e + - h + h e + - h e + - h e + - h e + - h + h e + - h e + - h e + - h e + - h + h e + -

10 Condutividade Intrínseca 218 A condutividade de um semicondutor intrínseco pode ser escrita como = n q e + p q b onde n = concentração de elétrons na BC p = concentração de buracos na BV q = carga do elétron e = mobilidade de elétrons na BC b = mobilidade de buracos na BV Em geral, as mobilidades de elétrons e buracos não são iguais.

11 Concentração de Portadores no Si-i 219 Si, intrínseco T= 0 K Si, intrínseco T= 300 K Distribuição de elétrons na BC e buracos na BV, em igual quantidade, para o semicondutor intrínseco. Esta é uma importante propriedade dos semicondutores intrínsecos. n.p = n i2 = =10 20

12 Dopagem do Silício 220 A produção de circuitos integrados requer que o substrato (wafer) seja mais condutor do que o Si puro. Para melhorar a condutividade do semicondutor, adicionam-se impurezas (dopantes) que contribuem com elétrons extras ou buracos extras. Este processo é conhecido como dopagem. Boro (B), Fósforo (P), e Arsênio (As) são os dopantes mais comumente utilizados pela indústria de microeletrônica para aumentar a condutividade do silício.

13 A Química da Dopagem 221 Consultando a Tabela Periódica pode-se observar o número de elétrons de valência do Boro, Silício, Fósforo e Arsênio. elementos com 5 elétrons de valência contribuem com um elétron extra para a rede (dopante doador) tipo n (portadores de carga negativos) elementos com 3 elétrons de valência aceitam um elétron da rede do silício (dopante receptor) tipo p (portadores de carga positivos) III A IV A V A B C N Al Si P Ga Ge As Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si elétron livre buraco livre

14 Concentração de Elétrons e Buracos 222 O silício intrínseco possui um numero de buracos igual ao de elétrons livres: e/cm 3 na temperatura ambiente. Para conseguirmos um razoável nível de condutividade não é necessário acrescentar uma grande quantidade de dopante. É suficiente uma adição de uma a cem partes por bilhão ( at/cm 3 ). Como o Si, cristalino possui 5 x at/cm 3 dopagem de at/cm 3 significa a adição de uma parte por milhão (ppm); at/cm 3 significa a adição de uma parte por bilhão (ppb). Se o dopante é doador teremos um aumento da concentração de elétrons na BC de para e/cm 3, ou seja, um aumento de 5 ordens de grandeza com forte impacto sobre a condutividade. Se o dopante é receptor, o mesmo ocorrerá a partir do aumento da concentração de buracos na BV.

15 223 Concentração de Portadores no Si Dopado Si, intrínseco T= 300 K Si, tipo n T= 300 K Si, tipo p T= 300 K A dopagem do Si aumenta dramaticamente a concentração de portadores de carga: elétrons no Si tipo n e buracos no Si tipo p.

16 Energia Dopagem e Níveis no Gap 224 Semicondutor tipo-n Dopante doador Surge um nível de energia permitido para estes elétrons, pouco abaixo da BC. Com pouca energia, estes elétrons podem ser promovidos para a BC. Semicondutor tipo-p Dopante receptor Surge um nível de energia permitido pouco acima da BV. Com pouca energia, elétrons da BV podem ser promovidos para este nível, deixando buracos na BV. Elétrons Buracos BC BV Semicondutor n BC BV Semicondutor p Os níveis de energia das impurezas (doadoras e receptoras) no Si

17 Dispositivos e Junções 225 A base da tecnologia de dispositivos semicondutores está na habilidade de se produzir uma junção entre duas partes de materiais com características distintas. Como os materiais semicondutores possuem pouquíssimos elétrons livres, qualquer imperfeição no material prejudica a sua condutividade. Material deve ser muito puro (99,9999%). Estrutura cristalina deve ser a mais perfeita possível. Assim, a junção tem que procurar casar as posições dos átomos de cada lado da junção. Requisito crítico de engenharia.

18 A Junção pn 226 O diodo é a junção entre um semicondutor tipo-n e um semicondutor tipo-p. Na formação da junção pn os elétrons da região n (em alta concentração) migrarão para a região p (de menor concentração de elétrons) e se recombinarão com os buracos da região p (dopantes tipo III) que possui alta concentração de buracos. DIFUSÃO. O processo inverso ocorrerá com os buracos da região p. Elétrons Buracos Núcleos com elétrons de valência p n p n

19 A Junção pn (cont.) 227 Este processo bidirecional de migração, de elétrons e buracos, leva à formação de uma região com carga líquida negativa na região p e positiva na região n. Isto dá origem a uma região com um campo elétrico que aponta da região n para a p. OBS: O campo elétrico aponta do lado positivo para o lado negativo Este campo cresce até interromper o processo de difusão de cargas através da junção. A região em torno da fronteira, na qual ocorre a redução de portadores de carga, chama-se zona de depleção. P P N N

20 A Física da Junção 228 O efeito na junção equivale à geração de um potencial elétrico que modifica os níveis relativos das bandas de energia dos materiais p e n, gerando uma barreira de potencial. Quando esta junção é ligada a uma fonte externa, esta barreira será reduzida ou aumentada. E cp E cn E cp e V E cn E vp E vn E vp Situação inicial (antes do equilíbrio) Situação final (após o equilíbrio) E vn

21 Junção com Polarização Direta 229 Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao lado tipo-p. A barreira de potencial diminui. A quantidade de buracos no lado p e elétrons no lado n com energia suficiente para vencer a barreira de potencial aumenta muito. A junção conduz corrente. Junção despolarizada Junção com polarização direta p Campo Interno Campo Externo Resultante n p n e V p n e V dimimui E E

22 Junção com Polarização Reversa 230 Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao lado tipo-n. A barreira de potencial aumenta. Os buracos no lado p e elétrons no lado n não têm energia suficiente para vencer a barreira de potencial. A junção não conduz corrente. p n Campo Interno Campo Externo Resultante Junção despolarizada Junção com polarização reversa p e V p e V aumenta E n E n

23 Junção pn: Característica V-I 231 I I [ e 1] o e V / k T, com V>0 para a polarização direta Tensão de Ruptura Comportamento Exponencial Diodo Fluxo de corrente convencional Anodo Catodo Polarização Reversa Polarização Direta

24 Junção pn 232 Clique aqui e arraste p = N A, e n = [n i2 / N A ] p = [n i2 / N D ], e n = N D

25 O Diodo como Retificador 233 A aplicação mais simples do diodo é na retificação de corrente alternada => conversão de corrente alternada para corrente continua. O ciclo positivo corresponde à polarização direta e a corrente pode fluir. O ciclo negativo corresponde à polarização reversa e a corrente não pode fluir => ciclo negativo eliminado. O uso de um capacitor permite transformar as oscilações do ciclo positivo em uma onda de valor quase constante.

26 Dispositivos Baseados na Junção pn 234 LED s Convertem um sinal elétrico de entrada em uma saída de luz: elétron entrando fóton saindo Células Solares (Fotovoltaicas) Convertem um sinal luminoso de entrada em uma saída de elétrons: fóton entrando elétron saindo (os elétrons gerados são impulsionados pelo campo elétrico na junção PN) Fonte de energia renovável! Fóton Absorvido Banda de Condução Banda de Valência Banda de Condução Banda de Valência

27 LED s 235 Um diodo emissor de luz (LED) é muito semelhante ao diodo comum utilizado em circuitos elétricos. Junção pn polarizada diretamente injeta elétrons na região tipo p, rica em buracos Recombinação deste elétrons com os buracos existentes. De acordo com a característica do material semicondutor utilizado, esta recombinação irá apresentar uma liberação de energia sob a forma de fótons (luz). Pode-se fazer uma engenharia neste material para ajustar a cor da luz emitida. Este ajuste nos permite gerar, hoje em dia, emissões na faixa do infravermelho ao ultravioleta.

28 O que é um LED? 236 LED s (Light Emitting Diodes) são dispositivos semicondutores que têm a capacidade de converter energia elétrica em energia luminosa, sem grande geração de calor. Link útil: Wikipedia LED s

29 Os LED s e a Economia de Energia 237 A iluminação com LEDs é a mais nova solução para a economia de energia Exemplos de Aplicações: Semáforos Dispositivos portáteis de consumo Automóveis Iluminação exterior, ruas As cores brilhantes e de alta intensidade podem contribuir para um menor consumo global de energia quando comparado com outras tecnologias de iluminação. A iluminação consome algo como 19% da energia elétrica mundial. A iluminação com LEDs apresenta um potencial de poupança de 25-40%. Isto significa uma possibilidade de redução de mais de 550 milhões de toneladas de CO2 anuais. Green IT International Symposium 2008

30 Evolução da Eficiência dos LEDs Lumens/Watt

31 O LED na Iluminação 239 No Município do Rio, a Prefeitura está instalando luminárias LED, alimentadas por células fotovoltaicas, com bateria montadas no próprio corpo da luminária. Estes empreendimentos visam reduzir o custo de manutenção e de instalação dos cabos de energia para alimentação das lâmpadas. Iluminação com LED s Iluminação com lâmpada de sódio de alta pressão (HPS)

32 Vantagens dos Dispositivos LED 240 Longevidade: O LED possui uma vida útil entre 10 e 50 mil horas enquanto que uma lâmpada incandescente apresenta algo como horas de uso (8.000h para as lâmpadas de rua). Eficiência: O LED dissipa muito pouco calor e opera a corrente muito baixa produzindo uma emissão de uma luz muita intensa. Custo: Não muito alto, e caindo Robustez: Componente de estado sólido, não tão frágil como lâmpada de incandescência Compatibilidade com geração fotovoltaica: total, pois funciona com correntes contínuas de baixo valor e baixa corrente. Dispensa o uso de inversores que é fator de perda de eficiência do aproveitamento da energia fotovoltaica.

33 LED: A Engenharia de Fabricação 241 A recombinação produz Luz Al : e : h GaAs-p SiO 2 Contato Elétrico GaAs-n Substrato Os elétrons da região n são injetados na região p, ocasionando a recombinação do par elétron-buraco (e-h) o que gera emissão de energia na forma de radiação (luz).

34 Gap de Energia e Cor da Luz 243 A cor da luz emitida depende da quantidade de energia devolvida na recombinação dos elétrons com os buracos. Esta quantidade depende do tamanho do gap que, por sua vez, depende do material, e de sua estrutura cristalina. Quanto maior o gap, maior a energia da luz gerada, e portanto maior sua frequência e menor seu comprimento de onda. E g = hf (onde f é a frequência da luz) O gap pode ser ajustado criando ligas de materiais semicondutores. Variando os componentes das ligas e suas proporções, altera-se o parâmetro de rede (distância entre átomos na estrutura cristalina). Esta variação do parâmetro de rede está diretamente relacionada com a energia do gap e com a cor da luz gerada.

35 Si versus Semicondutores III-V 244 O silício é o semicondutor mais usado na microeletrônica, mas não é adequado para a geração de luz. A transição entre as bandas implica em perda de energia por aquecimento, e não apenas via geração de luz. Isto está associado a uma característica denominada gap indireto. Diversos compostos de elementos das colunas III e V da tabela periódica são mais adequados. Possuem gap direto. A transição radiativa é eficiente. A combinação entre diversos compostos, com diferentes proporções, oferece uma enorme flexibilidade.

36 A Engenharia do Comprimento de Onda 245 Variar E gap Transição Direta Requisitos para o Material Existência de modo radiativo eficiente Material pode ser produzido com dopagem tipos n & p

37 Materiais dos Grupos III-V 246 Al Ga In N P As AlN, AlP, AlAs GaN, GaP, GaAs InN, InP, InAs Compostos Binários GaAs GaP GaAl GaAsP GaAsAl Compostos Ternários Perguntas pertinentes na escolha do material: 1. O que acontece quando fazemos esta engenharia? 2. O que podemos esperar da estrutura cristalina destes materiais? 3. A cor da luz emitida será modificada? 4. Estes materiais devem se comportar de forma similar ao GaAs?

38 Energia do Gap (ev) 247 A Engenharia do Comprimento de Onda Parâmetro de Rede (Å)

39 GaN ZnSe GaP:N 248 Os LED s e a Curva de Resposta do Olho 10 0 Resposta do olho GaAs.14 P 86 GaAs.35 P 65 GaAs.6 P Comprimento de Onda (nm) Materiais utilizados na fabricação dos mais importantes diodos emissores de luz (LED s) com cada uma das suas respectivas regiões espectrais.

40 FIM 249