Semicondutores e Dispositivos Óticos

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219 
Semicondutores para Dispositivos 
Óticos e Eletrônicos 
220 
Semicondutores 
• 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. 
 
 (S/m) 
221 
Os semicondutores na tabela periódica 
 
Alguns elementos (colunas II, III, V, VI), quando combinados entre si (ligas 
III-V, II-VI, etc.) assumem propriedades semicondutoras. 
222 
As Origens 
• O precursor histórico da eletrônica foi Thomas 
Edison. 
 Em 1880, durante o desenvolvimento da 
lâmpada incandescente, ele descobriu que uma 
pequena corrente passava do filamento aquecido 
para uma placa de metal montada no interior do 
bulbo em vácuo. 
 Em 1904 John Flemming, da “Marconi Wireless 
Company”, descobriu que uma corrente aplicada 
externamente só passava no sentido do filamento 
para a placa. Foi o primeiro diodo a vácuo, 
utilizado para converter corrente alternada em 
corrente contínua. 
 A adição de um terceiro eletrodo por Lee 
DeForest permitiu que, com um pequeno sinal de 
entrada, fosse possível controlar um grande 
fluxo de elétrons do filamento para a placa. Foi 
o precursor do triodo, futuro transistor. 
• Links úteis: 
 HowStuffWorks - Electronics 
 Wikipedia - Triodes 
 
Efeito 
Edison 
Válvula diodo 
(retificador) 
Válvula triodo 
(amplificador) 
223 
O Primeiro Transistor (Triodo) 
http://super.abril.com.br/tecnologia/transistor-438393.shtml 
"Sem ele, o mundo e a história moderna seriam 
radicalmente diferentes: não haveria, por exemplo, 
indústria de computadores na escala que 
conhecemos, não haveria satélites de comunicação 
e, não haveria viagens espaciais." 
Estas palavras, do físico norte-americano William 
Shockley , se referem a um diminuto dispositivo, 
hoje tão comum que sequer chama a atenção - o 
transistor. 
Criado nos laboratórios da Bell Telephone, nos 
Estados Unidos, em 1947, o transistor valeu ao 
próprio Shockley e a Walter Brattain e John 
Bardeen o prêmio Nobel de Física de 1956. 
 
O transistor é produzido 
com a junção de três 
materiais semicondutores 
224 
A Evolução 
• Desde a década de 1970, quando o 
primeiro micro-processador foi 
lançado, houve constante evolução 
de velocidade, quantidade de 
transistores integrados no circuito, 
e redução do tamanho das linhas 
geradas no processo de fabricação. 
1,E+00 
1,E+01 
1,E+02 
1,E+03 
1,E+04 
1,E+05 
1,E+06 
1,E+07 
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 
Frequência (kHz) 
1,E+00 
1,E+01 
1,E+02 
1,E+03 
1,E+04 
1,E+05 
1,E+06 
1,E+07 
1,E+08 
1,E+09 
1,E+10 
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 
Número de Transistores 
10 
100 
1000 
10000 
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 
Largura de Linha (nm) 
Link Útil – Intel - A linha do tempo da micro-eletrônica. 
225 
O que é um LED? 
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 
226 
Os LED’s e a Economia de Energia 
• 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 
227 
Evolução da Eficiência dos LEDs 
2008 – 91 Lumens/Watt 
228 
O LED na Iluminação 
• 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) 
229 
Vantagens dos Dispositivos LED 
 Longevidade: O LED possui uma vida útil entre 10 e 50 mil horas enquanto que uma lâmpada 
incandescente apresenta algo como 1.000 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. 
230 
Os LED’s e a Curva de Resposta do Olho 
Materiais utilizados na fabricação dos mais importantes diodos emissores de 
luz (LED’s) com cada uma das suas respectivas regiões espectrais. 
350 400 450 500 550 600 650 700 750 
100 
 
10-1 
 
10-2 
 
10-3 
 
10-4 
Resposta do olho 
Comprimento de Onda (nm) 
G
a
N
 
Z
n
S
e
 
G
a
P
:N
 
G
a
A
s
.1
4
P
8
6
 
G
a
A
s
.3
5
P
6
5
 
G
a
A
s
.6
P
4
 
231 
Tópico Teórico 
Semicondutores, Bandas, 
Dopagem e Junções 
Referência: Cap. 18 do Livro Texto 
232 
Condutividade e Elétrons Livres 
• Condutores 
 Metais (1 e/átomo, livres para se moverem, ou 1022 e/cm3) 
• Isolantes 
 Cerâmicos (óxidos, entre 0 e 10-20 e/átomo, ou até 10-2 e/cm3) 
• Semicondutores 
 Germânio (10-8 e/átomo, livres ou 1013 e/cm3) 
 Silício (10-12 e/átomo, livres ou 1010 e/cm3) 
 Silício dopado (entre 10-9 e 10-7 e/átomo, livres ou 1013 e 1015 e/cm3) 
 Arseneto de Gálio (10-16 e/átomo, livres ou 106 e/cm3) 
 Vários outros compostos (III-V) e (II-VI) 
GaAs 
Em termos de resistividade 
podemos afirmar que esta varia 
de 10-10 a 10+22 
233 
Bandas de Energia no Estado Sólido 
• Princípio básico 
 Átomos individuais tem níveis de energia 
discretos para os elétrons. Transições 
entre níveis só ocorrem se o elétron 
receber a energia exata que o separa de 
um nível mais alto. 
 Quando aglomerados no estado sólido, os 
níveis discretos geram bandas de energia 
contínuas, separadas por regiões 
proibidas (gap). 
 A última banda preenchida é denominada 
banda de valência (BV). Nela os elétrons 
tem movimento restrito. 
 A primeira banda parcialmente 
preenchida ou vazia é denominada banda 
de condução. Nela os elétrons estão livres 
para se mover quando recebem qualquer 
valor de energia. 
Níveis ocupados 
Níveis vazios 
Gap 
Gap 
Bandas 
cheias 
Bandas vazias 
234 
Agrupando Átomos: Teoria de Bandas 
Sólido Átomo livre 
B
an
d
as
 
Com a redução do 
espaçamento entre os 
átomos, os orbitais mais 
externos passam a interagir 
com seus vizinhos gerando 
uma separação nos níveis de 
energia 
Níveis discretos de energia 
235 
Condutividade e Estrutura de Bandas 
• A separação (gap) entre a banda de 
valência e a banda de condução 
determina a propriedade elétrica do 
material 
• Nos condutores os elétrons ocupam 
parcialmente 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 podefluir 
Isolante 
E
n
er
g
ia
 
BC 
BV 
Gap 
Semicondutor 
BV 
BC 
E
n
er
g
ia
 
E
n
er
g
ia
 
Condutor Metálico 
BC 
BV 
236 
 O silício tem 4 elétrons de valência. Quando sólido os átomos se ligam, 
produzindo uma rede cristalina pura a qual denominamos como silício 
intrínseco. 
– os elétrons dos orbitais mais internos são mais fortemente ligados aos átomos 
Nos semicondutores a energia térmica é suficiente para romper a ligação atômica de 
um elétron para (faze-lo saltar da banda de valência para a banda de condução 
produzindo um par buraco-elétron (par h-e)). 
Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de condução para a banda de 
valência, recombinando assim com um buraco. 
Estrutura & Portadores de Carga 
e elétron livre 
h buraco livre 
Estrutura a 0 K Estrutura a 300 K 
237 
Formação de Cargas Livres num SC 
• 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 a 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. 
Banda proibida 
[Egap] 
Banda de 
valência 
cheia 
Banda de 
condução 
vazia 
+ e- + e- + e- + e- energia 
Banda de 
valência 
parcialmente 
cheia 
Banda de 
condução 
parcialmente 
vazia 
238 
Bandas e Concentração de Portadores no Si 
Si, intrínseco 
T= 0 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 = ni
2=1020 
1010.1010=1020 
Si, intrínseco 
T= 300 K 
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 e b são as mobilidades de elétrons e buracos, respectivamente. 
239 
Do Átomo de Silício para o Cristal 
O átomo de Si possui 14 elétrons, um a mais do que o Al. 
O átomos de Si apresentam ligação covalente, compartilhando 
seus 4 elétrons de valência de forma a completar sua camada 
de valência 3s3p. 
240 
Silício Puro (Intrínseco) 
• 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 
 a temperatura ambiente, se uma 
tensão elétrica é aplicada, uma 
pequena corrente elétrica flui. 
Si 
Si Si Si 
Si Si Si 
Si Si 
241 
Dopagem do Silício 
• A produção de circuitos integrados requer que o 
substrato (wafer) seja mais condutor do que o Si puro. 
• O silício intrínseco (forma pura) não é um bom 
condutor pois n é da ordem de 1010 e/cm3 comparado 
com os 1022 e/cm3 dos metais. 
• 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 se aumentar a condutividade do silício. 
242 
B C N 
Al Si P 
Ga Ge As 
A Química da Dopagem 
• Consultando a Tabela Periódica pode-se 
observar o número de elétrons de valência 
do Boro, do Silício e do Fósforo. 
 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) 
• A concentração típica destes dopantes no 
Si está na faixa entre 1013 e 1018 at/cm3. 
Como o Si, cristalino possui 
 5 x 1022 at/cm3, é importante observar 
que uma concentração de: 
 1016 at/cm3 significa a adição de uma parte 
por milhão (ppm); e, 
 1013 at/cm3 significa a adição de uma parte 
por bilhão (ppb). 
B 
P 
Si 
243 
Concentração de Elétrons e Buracos 
• O silício puro (intrínseco), possui um numero de buracos igual ao de 
elétrons livres, e este valor é 1010 /cm3 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 ( 1015 at/cm3). 
• Se o dopante é um doador (átomo penta valente) teremos um aumento da 
concentração de elétrons na BC de 1010 para 1015 e/cm3, ou seja, um 
aumento de 5 ordens de grandeza com impacto sobre a condutividade. 
• Se o dopante for receptor, o mesmo ocorrerá a partir do aumento da 
concentração de buracos na BV. 
244 
Dopagem e Níveis no Gap 
• 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. 
 
Semicondutor p 
BC 
BV 
Semicondutor n 
E
n
er
g
ia
 
BC 
BV 
Elétrons 
Buracos 
Os níveis de energia 
das impurezas 
(doadoras e 
receptoras) no Si 
245 
Concentração de Portadores no Si Dopado 
Si, intrínseco 
T= 300 K 
Si, tipo n 
T= 300 K 
Si, tipo p 
T= 300 K 
246 
Dispositivos e Junções 
• 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 muito 
poucos 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. 
247 
A Junção pn 
• 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. 
• O processo inverso ocorrerá 
com os buracos da região p. 
Elétrons Buracos 
p 
n 
p 
n 
Núcleos com elétrons de valência 
248 
A Junção pn (cont.) 
• Este processo bidirecional de migração, 
de portadores majoritários, leva a 
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 e acarreta em uma menor 
condutividade (menor concentração de 
portadores). 
• 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 N 
P 
N 
249 
A Física da Junção 
• O efeito na junção pode ser descrito em termos da 
geração de um potencial elétrico que modifica os 
níveis relativos das bandas de energia do material p 
para o material n. 
Ecn 
Evn 
Ecp 
Evp 
e V 
Ecp 
Evp 
Ecn 
Evn 
Situação inicial 
(antes do equilíbrio) 
Situação final 
(após o equilíbrio) 
250 
Junção com Polarização Direta 
• Ao conectar uma fonte de tensão à junção, 
com o pólo positivo ligado ao lado tipo-p, 
cria-se uma polarizaçãodireta. 
 A quantidade de portadores majoritários (buracos 
no lado p & elétrons no lado n) com energia 
suficiente para vencer a barreira de potencial 
aumenta substancialmente. 
Junção despolarizada 
Junção com 
polarização direta 
E 
p 
n 
e V 
E 
p 
n 
e V 
dimimui 
E 
p n 
251 
Junção com Polarização Reversa 
• Ao conectar uma fonte de tensão à junção, 
com o pólo positivo ligado ao lado tipo-n, 
cria-se uma polarização reversa. 
 Os portadores majoritários (buracos no lado p & 
elétrons no lado n) não tem energia suficiente para 
vencer a barreira de potencial criada pelo campo 
elétrico. 
Junção despolarizada 
Junção com 
polarização reversa 
E 
p 
n 
e V 
p n 
E 
E 
p 
n 
e V 
aumenta 
252 
Polarização 
Reversa 
Polarização 
Direta 
Comportamento 
Exponencial 
Junção pn: Característica V-I 
/[ 1]eV kToI I e
Diodo 
, com V>0 para a polarização direta 
Tensão de 
Ruptura 
Fluxo de corrente convencional 
Anodo Catodo 
253 
Dispositivos Baseados na Junção pn 
• 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! 
Banda de 
Condução 
Banda de 
Valência 
Fóton 
Absorvido 
Banda de 
Valência 
Banda de 
Condução 
254 
LED’s 
• 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. 
 
255 
A recombinação produz Luz 
: e 
: h SiO2 
Substrato 
GaAs-n 
Al 
Contato 
Elétrico 
Os elétrons da região n são injetados na região p, originando a recombinação do par 
elétron-buraco (e-h) com uma emissão de energia na forma de radiação (luz). 
LED: A Engenharia de Fabricação 
GaAs-p 
256 
Sequência de Fabricação 
Silício tipo n Cria uma camada 
de SiO2 
Deposita uma camada 
de polímero foto-sensível 
Expõe a luz UV 
através de uma máscara 
Elimina a camada 
exposta do polímero 
Retira o óxido exposto 
com um ataque químico 
Retira o restante do 
“foto-resiste” 
Link útil: Intel – From sand to circuits 
257 
Gap de Energia e Cor da Luz 
• 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. 
 Eg = 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. 
258 
Si versus Semicondutores III-V 
• 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. 
259 
Requisitos para 
 o Material 
Variar Egap Transição Direta 
Material pode ser 
produzido com 
dopagem tipos n & p 
Existência de modo 
radiativo eficiente 
A Engenharia do Comprimento de Onda 
260 
Al 
Ga 
In 
N 
P 
As 
AlN, AlP, AlAs 
GaN, GaP, GaAs 
InN, InP, InAs 
GaAs 
GaP 
GaAl 
GaAsP 
GaAsAl 
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? 
Compostos 
Ternários 
Compostos 
Binários 
Materiais dos Grupos III-V 
261 
A Engenharia do Comprimento de Onda 
Parâmetro de Rede (Å) 
E
n
er
g
ia
 d
o
 G
ap
 (
eV
)