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. JRocha 02_CE_2005 1 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 JRocha 02_CE_2005 2 • 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. JRocha 02_CE_2005 3 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. JRocha 02_CE_2005 4 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-) JRocha 02_CE_2005 5 Figura 2.4: Corrente elétrica - material N e no Material P (independente da polaridade) JRocha 02_CE_2005 6 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. JRocha 02_CE_2005 7 Resistividade vs dopagem JRocha 02_CE_2005 8 Mobilidade vs dopagem. Mobilidade vs temperatura JRocha 02_CE_2005 9 JRocha 02_CE_2005 10 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) JRocha 02_CE_2005 11