Materiais Semicondutores

Os semicondutores são materiais que possuem características elétricas intermediarias entre o isolante elétrico e o condutor elétrico. Eles permitem a construção de dispositivos eletrônicos que controlam a direção e a intensidade da corrente elétrica. Ao lado de semicondutores elementares (ver tabela 2), como silício e germânio, os semicondutores compostos podem ser sintetizados combinando elementos da coluna IV da tabela periódica (SiC e SiGe) ou combinando elementos das colunas III e V (GaAs, GaN, InP, AlGaAs, AlSb, GaP e AlAs). Às vezes, elementos de outras colunas também podem ser usados (HgCdTe, CdS, etc...). O diamante exibe propriedades semicondutoras em alta temperatura e o estanho (logo abaixo do germânio na coluna IV da tabela periódica) se torna um semicondutor a baixas temperaturas [26, 33].

Tabela 2 - Principais elementos para tecnologia de semicondutores

III IV V

B C N

Al Si P

Ga Ge As

In

Sb

Fonte: Autor “adaptada de” [26]

Aproximadamente 98% de todos os dispositivos semicondutores são fabricados a partir de silício monocristalino, como circuitos integrados, microprocessadores e chips de memória. Os 2% restantes fazem uso de compostos III-V, como diodos emissores de luz, diodos laser, componentes de frequência de micro-ondas, e atualmente transistores de alta mobilidade de elétrons [26, 33].

2.6.1.1 Bandas de Energia

No estado sólido, as moléculas ou átomos não podem ser considerados como elementos isolados. A separação entre as moléculas é comparável ao tamanho molecular e a intensidade das forças que as mantém juntas é da mesma ordem de grandeza das forças que ligam os átomos numa molécula. As propriedades de uma molécula serão, portanto, alteradas pela presença de outras moléculas vizinhas [27]. Um elétron em um átomo pode assumir níveis discretos de energia, "saltando" de um nível para outro de forma não contínua. Ou seja, o elétron comporta-se como uma onda. Mas, quando átomos são aproximados, esses elétrons interferem entre si. Ou seja, as funções de onda que descrevem os elétrons individuais se superpõem, resultando no desdobramento de mais níveis de energia possíveis. Consequentemente, um dado nível de energia do sistema é desdobrado em dois níveis de energia distintos. A separação entre os níveis aumenta à medida que diminui a distância entre os átomos [27].

Portanto, se considerarmos um sistema de “N” átomos, cada nível de um desses átomos dá origem a um nível do sistema, quando os átomos estão bem separados. Quando a separação diminui, cada um destes níveis se desdobra num

conjunto de “N” níveis. Quanto maior for o número de átomos acrescentado ao sistema, maior será o número de subníveis contido no mesmo conjunto desdobrado, cobrindo aproximadamente o mesmo intervalo de energia. O alargamento em energia é da ordem de alguns elétrons-volt (eV). Considerando que um sólido contém algo como 1023 _{átomos/mol, vê-se que os níveis de cada conjunto num}

sólido estão de tal forma próximos que na verdade constituem praticamente uma

banda contínua de energia [27].

2.6.1.2 Banda de Valência, de condução e banda proibida

As ligações entre os átomos de um cristal, bem como os fenômenos de transporte elétrico, são devidas aos elétrons da camada mais externa. Em termos de faixas de energia, os elétrons responsáveis pela formação de ligações entre os átomos são encontrados na última faixa ocupada. A última banda de estado fundamental que contém elétrons é chamada de banda de valência, porque contém os elétrons que formam as outras ligações covalentes entre átomos [26].

A banda de energia permitida diretamente acima da banda de valência é chamada de banda de condução. Em um semicondutor, à baixa temperatura, essa banda está vazia de elétrons a baixa temperatura (T = 0 K). Em temperaturas mais altas, alguns elétrons têm energia térmica suficiente para abandonar sua função de formar uma ligação entre átomos e circular no cristal. Esses elétrons "pulam" da banda de valência para a banda de condução, onde estão livres para se mover. A diferença de energia entre a parte inferior da banda de condução e a parte superior da banda de valência é chamada de "banda proibida" ou "intervalo de banda" e é notada "Eg" [26].

Em um sentido mais geral, as seguintes situações podem ocorrer dependendo da localização do átomo na tabela periódica (Figura 8):

A: A última faixa de energia (valência) é apenas parcialmente preenchida com

B: A última faixa de energia (valência) é completamente preenchida com

elétrons em T = 0 K, mas a próxima faixa de energia (vazia) se sobrepõe a essa, ou seja, a faixa de energia vazia compartilha uma faixa de valores comuns de energia;

C: A última banda de energia (valência) é completamente preenchida com

elétrons e nenhuma banda vazia se sobrepõe a ela;

Figura 8 - Bandas de Valencia e de condução

Fonte: Autor “adaptado de” [26]

Nos casos A e B, os elétrons com as energias mais altas podem facilmente adquirir uma quantidade infinitesimal de energia e pular para um nível de energia permitido ligeiramente mais alto e se mover através do cristal. Em outras palavras, os elétrons podem deixar o átomo e se mover no cristal sem receber energia. Um material com essa propriedade é um metal. No caso C, uma quantidade significativa de energia (igual ou superior) deve ser transferida para um elétron para que ele "salte" da banda de valência para um nível de energia permitido da banda de condução. Isso significa que um elétron deve receber uma quantidade significativa de energia antes de deixar um átomo e se mover "livremente" no cristal. Um material com essas propriedades é um isolante ou um semicondutor " [26].

A distinção entre um isolante e um semicondutor é puramente quantitativa e baseia-se no valor da diferença de energia. Em um semicondutor, "Eg" é tipicamente

menor que 2 eV e a energia térmica à temperatura ambiente ou a excitação dos fótons de luz visível podem fornecer aos elétrons energia suficiente para "saltar" da valência para a banda de condução. A diferença de energia dos semicondutores mais comuns são: 1,12 eV (silício), 0,67 eV (germânio) e 1,42 eV (arseneto de gálio). Os isolantes têm intervalos de banda de energia significativamente mais

amplos: 9,0 eV (SiO2), 5,47 eV (diamante) e 5,0 eV (Si3N4). Nesses materiais, a

energia térmica da temperatura ambiente não é grande o suficiente para colocar elétrons na banda de condução [26, 33].