Física dos materiais e dispositivos semicondutores

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Física dos materiais e

dispositivos semicondutores

Germano Maioli Penello

gpenello@if.ufrj.br

https://www.if.ufrj.br/~gpenello/DisciplinasAtuais/FMDS_2020-2.html

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Válvulas e eletrônica do estado sólido

Válvula retificadora - Marconi

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermionic_emission

Adaptado de:

https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/valves-tubes/diode-valve-vacuum-tube.php

Válvula diodo Válvula triodo https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/valves-tubes/triode-valve-vacuum-tube.php

Válvulas diversas

• Revolução tecnológica: melhor

controle de corrente em circuitos

elétricos.

• Deficiências: tamanho, tempo de

aquecimento, consumo de potência,

tempo de vida, fabricação cara.

• Ainda usado em áreas específicas:

militar, geração de micro-ondas

(magnetron), amplificadores de

som...

• Como realizar o controle da corrente

sem ter que emitir elétrons para o

vácuo e depois recolher os elétrons?

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Eletrônica do estado sólido

• 1874 – Condução elétrica assimétrica descoberta por Ferdinand Braun

• 1946 – diodo de germânio - 1N34

• 1947 - J. Bardeen, W. Brattain e W. Shockley da Bell telephone Laboratories inventam o transistor

• ~1950 – desenvolvimento de diodos de junção • ~1960 – Aperfeiçoamentos na fabricação do

transistor permitem a miniaturização e a produção de circuitos integrados

• ~1970 – Microprocessadores permitem a

fabricação de microcomputadores (3ª revolução tecnológica!)

• Física do estado sólido – área de pesquisa que estuda materiais cristalinos e permitiu o

desenvolvimento destes dispositivos e ganhou impulso com a descoberta do transistor

• Física da matéria condensada – área de pesquisa que engloba a física do estado sólido e inclui

materiais como vidros, polímeros orgânicos, ligas amorfas, líquidos

• Área responsável por cerca de 50% dos prêmios Nobel nos últimos 30 anos.

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Microeletrônica

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Como se formam os sólidos?

Cloreto de Sódio – NaCl Na – 11elétrons

1s2_2s2_2p6_3s1 _{ou [Ne]3s}1

Cl – 17 elétrons

1s2_2s2_2p6_3s2_3p5 _{ou [Ne]3s}2_3p5

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Como se formam os sólidos?

Cloreto de Sódio – NaCl Na – 11elétrons 1s2_2s2_2p6_3s1 _{ou [Ne]3s}1 Cl – 17 elétrons 1s2_2s2_2p6_3s2_3p5 _{ou [Ne]3s}2_3p5 https://www.ptable.com/ Ligação iônica Na – Cl Na perde 1 e -Cl ganha 1 e

-Íons com cargas opostas – interação eletrostática

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Como se formam os sólidos?

1s2_2s2_2p6_3s1 _{ou [Ne]3s}1

Cl – 17 elétrons

1s2_2s2_2p6_3s2_3p5 _{ou [Ne]3s}2_3p5

https://www.ptable.com/

Átomos de Na e Cl tem um mínimo de energia a uma distância específica Ligação iônica Na – Cl

Na perde 1 e

-Cl ganha 1 e

-Íons com cargas opostas – interação eletrostática

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Como se formam os sólidos?

1s2_2s2_2p6_3s1 _{ou [Ne]3s}1

Cl – 17 elétrons

1s2_2s2_2p6_3s2_3p5 _{ou [Ne]3s}2_3p5

https://www.ptable.com/

Átomos de Na e Cl tem um mínimo de energia a uma distância específica Ligação iônica Na – Cl

Na perde 1 e

-Cl ganha 1 e

-Íons com cargas opostas – interação eletrostática Ligação iônica – elétrons muito ligados aos átomos (baixa condutividade elétrica e térmica, transparência

óptica por ter poucos e- _livres)

Ex. NaCl, KCl, NaBr, LiF, vários óxidos, sulfetos, selenetos, teluretos

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Como se formam os sólidos?

Iônica Covalente

Molecular Metálica

Tipos de ligações

Covalente – e- _{de valência são atraídos pelos átomos vizinhos.}

Detalhes dessa disciplina: Hibridização sp3 – um orbital s e três orbitais p

(mais informações no livro do Streetman)

Molecular – atração entre dipolos elétricos (deslocamento das camadas eletrônicas)

Metálica – e- _{fracamente ligados ao núcleo são}

compartilhados entre todos os átomos (“Mar de e-_”)

13 Ligação iônica – elétrons muito ligados aos átomos

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Como se formam os sólidos?

Iônica Covalente

Molecular Metálica

Tipos de ligações

Covalente – e-_{de valência são atraídos pelos átomos vizinhos.}

Ponto de fusão maior que o iônico, maior dureza (Si, Ge, GaAs, InSb, ...)

Molecular – atração entre dipolos elétricos

Ponto de fusão bem baixo (cristais de gases solidificados: O, N e outros gases inertes)

Metálica – e-_{fracamente ligados ao núcleo são}

compartilhados entre todos os átomos (“Mar de e-_”)

Ponto de fusão mais baixo que o iônico, maleável (forma lâminas), dúctil (forma fios), bom condutor térmico e elétrico

13 Ligação iônica – elétrons muito ligados aos átomos.

alto pontos de fusão e ebulição, elementos sólidos, duros e quebradiços, conduzem corrente elétrica quando dissolvidas

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Materiais cristalinos

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Materiais cristalinos

CsCl – Cloreto de Césio

Rede cristalina Célula unitária Posição do Cl:

(k,l,m)

Posição do Cs: (k,l,m) + (½, ½, ½)

Onde k, l, m são números inteiros

Vetores unitários Ԧ

𝑎, 𝑏, Ԧ𝑐

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Redes cristalinas

Existem 14 tipos de redes cristalinas em 3D

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Redes cristalinas

a, b, c → parâmetros de rede do cristal

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/sili2.html

Rede cristalina do Si Duas redes cúbicas de face centrada

deslocadas de (¼, ¼, ¼)

Duas redes cúbicas de face centrada

deslocadas de (¼, ¼, ¼) Rede cristalina do GaAs

Parâmetro de rede de 5,65 Å Parâmetro de rede de 5,43 Å

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Redes cristalinas

a, b, c → parâmetros de rede do cristal

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/sili2.html

Rede cristalina do Si Duas redes cúbicas de face centrada

deslocadas de (¼, ¼, ¼)

Visão superior da rede do Si. Cada número representa a altura em relação a base

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Monocristal

Monocristal é o que normalmente chamamos de cristal

https://en.wikipedia.org/wiki/Quartz https://en.wikipedia.org/wiki/Monocrystalline_silicon

Monocristal de Si Ordem cristalina ao longo de toda dimensão

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Métodos de crescimento

https://www.youtube.com/watch?v=2xjhK2aSV1E

Czochralsky Bridman

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Filmes finos

Técnicas de crescimento avançadas permitem um controle extremamente preciso no crescimento de cristais. (crescimento de camadas monoatômicas em taxas da ordem Å/s!)

Crescimento epitaxial – parâmetro de rede dos materiais é importante para crescer cristais sem defeitos Fora de escala x e y cm z nm_~ ~ InP InAlAs InGaAs InAlAs Crescimento apenas no eixo z Filmes finos são usados em inúmeros

dispositivos como resistores, capacitores, camadas magnéticas em dispositivos de memória, fotodetectores, células solares de última geração, ...

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Filmes finos (crescimento)

Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) ou

Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)

https://en.wikipedia.org/wiki/Metalorganic_vapour-phase_epitaxy

Molecular beam epitaxy (MBE) Vaporização catódica (sputtering)

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Curiosidades

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/ice-crystal