2. Semicondutores
2.1 Introdução à física de semicondutores
Semicondutores:
Grupo
de
materiais
apresentam
características
que
elétricas
intermediárias entre metais e isolantes.
Atualmente os semicondutores obedecem a
duas classes básicas: orgânicas nas quais estão
inseridos os polímeros e inorgânicas mais
comumente utilizados atualmente.
Os materiais se arranjam na forma amorfa e
cristalina. Nossos estudos serão baseados em
materiais semicondutores inorgânicos e com
arranjo
cristalino
de
longo
alcance
(policristalinos e monocristalinos).
Métodos
de
obtenção
mais
comuns:
Czochralski, floating zone, MBE e CVD’s.
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Bandas de energia
• Metal não há Eg devido a superposição das bandas
• Eg do Isolante > Semicondutor (intríseco)
Nível de vácuo
χ
Banda de condução
(LUMO)
Eg
EF
Banda de valência
(HOMO)
Eg: Energia da banda proibida (gap)
χ : Afinidade eletrônica
EF: Energia do nível de Fermi
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• Diversas
são
as
aplicações
dos
materiais
semicondutores intrísecos e dopados, utilizados
isoladamente ou construídos em junções ou ligas
com outros materiais.
• Em aplicações no campo da eletrônica podemos
destacar o uso destes materiais em dispositivos
eletroluminescentes,
fotovoltaicos,
retificadores,
reguladores, chaveadores, enfim, algumas das quais
serão base para nossos estudos.
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2.2 Semicondutor intrínseco
• Ligação química covalente: Quatro elétrons em sua última
camada (valência): átomos
se ligam compartilhando
elétrons se mantendo eletricamente isolantes
! Cristais como de carbono na forma do diamante, e
tetraédricas de Si, SiC ou GaAs
são exemplos
de
semicondutores.
Figura 2. 1: Representação de uma rede de um cristal de Si
!
São considerados materiais intrísecos aqueles que apresentam baixíssima
concentração de dopantes (materiais diferentes na rede), < 1014 átomos/cm2 se
tratando do silício obtido por métodos de crescimento como Czochralski e
Floating Zone.
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2.3 Semicondutor extrínseco
Excede e-
e- livre
Figura 2. 2: Representação tipo N: Rede de Si (4 e-) e P(5 e-)
Figura 2. 3: Representação tipo P: Rede de Si (4 e-) e In(3 e-)
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Figura 2.4: Corrente elétrica - material N e no Material P
(independente da polaridade)
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χ
χ
Condução
Condução
EFn
Eg
φP
φN
Eg
EFp
Valência
Semicondutor tipo P
Semicondutor tipo N
Figura 2. 5: Esquema de bandas – material P e N antes do contato
Potencial de Fermi :
φFN = - KT/q ln (ND/ni) e φFp = + KT/q ln (NA/ni)
Onde: K = 1,38x10-23 J/K, q=1,6x10-19C, ND, NA e ni é a
concentração de tipo N e tipo P e intríseca do material.
Exemplo: Si obtido por Cz (1014 cm-2) à temperatura 300K (KT/q =
0,026), tem dopagem ND = 1017 cm-2.
Potencial de Fermi é: φFN = - 0,18 V.
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Resistividade vs dopagem
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Mobilidade vs dopagem. Mobilidade vs temperatura
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Para Atividade 01
(Todas as resoluções devem ser justificadas)
3. Silício obtido por Cz (1014 cm-2) à temperatura 300K (KT/q
= 0,026), tem NA = 1017 cm-2. Obter o potencial de Fermi.
1.1; 1.3; 1.6; 1.11; 1.12; 1.16; 1.17
Pag.: 18 – 19 (Malvino 4a ed., v1)
2.1; 2.2; 2.3
Pag.: 63 (Malvino 4a ed., v1)
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