Tecnologia dos materiais-semicondutores

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Capítulo

3

Semicondutores
Semicondutores já foram definidos no capítulo anterior, como sendo materiais com suas bandas de valência e de condução separados por uma faixa proibida de energia de valor não muito elevado (da ordem fração ou alguns eV), sendo que à temperatura de 0 K, todos os estados da banda de valência estão ocupados e todos os estados da banda de condução estão desocupados.Tal material terá uma condutividade elétrica bastante reduzida em temperaturas normais de operação (bem maiores que 0 K), de valor intermediário entre as condutividades de isolantes e de condutores. Veremos neste capítulo diversas propriedades de semicondutores, bem como a alteração destas pela adição de pequena quantidade de impurezas. Na verdade, o sucesso dos semicondutores deve-se aosseguintes três fatores principais:



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Existência de técnicas de sintetização de materiais semicondutores de alta pureza, com nível de impurezas bem menor que partes por bilhão, ppb. Os semicondutores constituem os materiais de maior pureza usada em aplicações. Nenhuma outra aplicação requer tamanho nível de pureza, exceto talvez, alguns materiais nucleares. Existência de técnicas decristalização de materiais semicondutores com alto nível de perfeição cristalina. Disponibilidade de técnicas de dopagem (adição de pequena quantidade de impurezas específicas) controlada, em nível e local no semicondutor, permite assim alterar localmente as propriedades do semicondutor. Isto por sua vez permite o desenvolvimento de inúmeros dispositivos, eletrônicos, ópticos e sensores.

Existe um grandenúmero de materiais semicondutores. A tabela 8.1 lista uma série delas. Já foi mencionado na capítulo 5 que o semicondutor mais usado é o silício e explicado o porquê, baseado nas várias boas propriedades deste. Aplicações específicas, no entanto, podem requerer semicondutores diferentes ao do Si, como é o caso de dispositivos ópticos, detetores, dispositivos de alta freqüência e outros. Cadasemicondutor tem a sua estrutura de banda específica, com parâmetros específicos de banda proibida, EG, massa efetiva, estrutura direta ou indireta e outros. Também o parâmetro de rede de cada cristal semicondutor é especifico, onde lembramos que parâmetro de rede é o valor da dimensão do lado da célula unitária da sua rede cristalina. Os gráficos da Fig. 8.1 apresentam valores de EG e de parâmetrosde rede de vários semicondutores. As linhas representam ligas formadas pela mistura dos materiais dos semicondutores dos extremos das mesmas. Observa-se que tanto a banda proibida como o parâmetro de rede varia gradualmente entre os valores dos dois semicondutores, dependendo diretamente da fração dos dois componentes na liga. A importância do parâmetro de rede está relacionada com acompatibilidade de fabricar estruturas de semicondutores compostas por camadas de diferentes materiais. É relativamente simples crescer uma camada cristalina de material semicondutor que tenha parâmetro de rede bem próximo ao do substrato, enquanto que o oposto ocorre se os dois materiais apresentarem parâmetros de rede distintos. As linha cheias e os pontos cheios da Fig. 8.1a indicam semicondutores deestrutura
Jacobus W. Swart – Materiais Elétricos – Cap.08 – p.1

de bandas do tipo direta, enquanto que linhas tracejadas e pontos não preenchidos indicam semicondutores de estrutura de bandas do tipo indireta. A Fig. 8.1b refere-se a semicondutores em desenvolvimento mais recente e de grande interesse para aplicações ópticas de emissão no azul (alto EG, ou baixo comprimento de onda).

Fig. 8.1Valores de banda proibida e de parâmetros de rede de vários semicondutores e de suas ligas, representados pelas linhas de ligação entre semicondutores, a) semicondutores tradicionais e b) semicondutores mais recentes. Tabela 8.1 Materiais semicondutores Classificação Exemplos Elementares Compostos III-V Binários Ternários Quaternários Binários Ternários Si, Ge GaAs, InP, GaSb, AlP, AlAs, AlSb,...
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