Física dos dispositivos
semicondutores
TEM
Termodinâmica
Estado Sólido
Física dos
Semicondutores
Mecánica Quântica
Ciência dos materiais
Física dos Dispositivos
Semicondutores
Microeletrônica
INFORMÁTICA
Eletrônica
Software
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
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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
semicondutor
largura da banda
proibida (eV)
Coluna IV
Si
1,10
Ge
0,68
SiC
2,4 (3C-SiC) , 3,35 (2H-SiC)
SixGe1-x
Si1-y-xGexCy
Colunas III e V
AlSb
1,5
GaN
3,42
GaAs
1,4
GaSb
0,67
InP
1,25
InAs
0,33
InSb
0,18
AlxGa1-xAs
GaAsxP1-x
GaxIn1-xPyAs1-y
Colunas IV e VI
Colunas II e VI
PbS
PbSe
0,40
PbTe
0,31
ZnSe
2,1
ZnO
3,2
TeCd
4,3
HgCdTe

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.
Convenção Interpretação
(hkl)
plano cristalino
{hkl}
planos equivalentes
[hkl]
direção cristalina
<hkl>
direções equivalentes
(hkli)
plano no sistema hexagonal
[hkli]
direção cristalina no sistema hexagonal
Tecnologias principais de silício
Processos de fabricação de dispositivos na
tecnologia planar do silício

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



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
1D
3D
Maxwell–Boltzmann distribution