Semicondutor

Semicondutor , qualquer um de uma classe de sólidos cristalinos intermediários em condutividade elétrica entre um condutor e um isolador. Semicondutores são empregados na fabricação de vários tipos de dispositivos eletrônicos, incluindo diodos , transistores e circuitos integrados. Esses dispositivos encontraram ampla aplicação por causa de sua compactação, confiabilidade, potência eficiência e baixo custo. Como componentes discretos, eles encontraram uso em dispositivos de energia, sensores ópticos e emissores de luz, incluindo de estado sólido lasers . Eles têm uma ampla gama de recursos de manuseio de corrente e tensão e, mais importante, se prestam a integração em circuitos microeletrônicos complexos, mas prontamente fabricáveis. Eles são, e serão no futuro previsível, os elementos-chave para a maioria dos sistemas eletrônicos, servindo a aplicações de comunicações, processamento de sinais, computação e controle nos mercados de consumo e industrial.



Materiais semicondutores

Os materiais de estado sólido são comumente agrupados em três classes: isoladores, semicondutores e condutores. (Em baixas temperaturas, alguns condutores, semicondutores e isoladores podem se tornar supercondutores.)figuramostra as condutividades σ (e as resistividades correspondentes ρ = 1 / σ) que estão associadas a alguns materiais importantes em cada uma das três classes. Isolantes, como quartzo fundido e vidro, têm condutividades muito baixas, da ordem de 10-18a 10-10siemens por centímetro; e condutores, como alumínio , têm altas condutividades, normalmente de 104a 106siemens por centímetro. As condutividades dos semicondutores estão entre esses extremos e geralmente são sensíveis à temperatura, iluminação, campos magnéticos e pequenas quantidades de átomos de impureza. Por exemplo, a adição de cerca de 10 átomos de boro (conhecido como dopante) por milhão de átomos de silício pode aumentar sua condutividade elétrica mil vezes (parcialmente contabilizando a ampla variabilidade mostrada na figura anterior).



condutividades

condutividades Faixa típica de condutividades para isoladores, semicondutores e condutores. Encyclopædia Britannica, Inc.



O estudo de materiais semicondutores começou no início do século XIX. Os semicondutores elementares são aqueles compostos por espécies únicas de átomos, como silício (Si), germânio (Ge) e estanho (Sn) na coluna IV e selênio (Se) e telúrio (Te) na coluna VI do tabela periódica . Existem, no entanto, numerosos composto semicondutores, que são compostos por dois ou mais elementos. O arsenieto de gálio (GaAs), por exemplo, é um composto binário III-V, que é uma combinação de gálio (Ga) da coluna III e arsênio (As) da coluna V. Ternário compostos pode ser formado por elementos de três colunas diferentes - por exemplo, telureto de índio e mercúrio (HgIndoisPara4), um composto II-III-VI. Eles também podem ser formados por elementos de duas colunas, como o arsenieto de alumínio e gálio (Al x Ga1 - x As), que é um composto III-V ternário, onde Al e Ga são da coluna III e o subscrito x está relacionado com o composição dos dois elementos de 100 por cento Al ( x = 1) a 100 por cento Ga ( x = 0). Puro silício é o material mais importante para aplicações de circuitos integrados, e os compostos binários e ternários III-V são os mais significativos para a emissão de luz.

tabela periódica

tabela periódica Versão moderna da tabela periódica dos elementos. Encyclopædia Britannica, Inc.



Antes da invenção do transistor bipolar em 1947, os semicondutores eram usados ​​apenas como dispositivos de dois terminais, como retificadores e fotodiodos. Durante o início dos anos 1950, o germânio era o principal material semicondutor. No entanto, ele se mostrou inadequado para muitas aplicações, porque os dispositivos feitos desse material exibiam altas correntes de fuga em temperaturas apenas moderadamente elevadas. Desde o início dos anos 1960, o silício se tornou de longe o semicondutor mais usado, virtualmente suplantando o germânio como material para a fabricação de dispositivos. As principais razões para isso são duas: (1) dispositivos de silício exibem correntes de fuga muito mais baixas, e (2) dióxido de silício (SiOdois), que é um isolante de alta qualidade, é fácil de incorporar como parte de um dispositivo à base de silício. Assim, silício tecnologia tornou-se muito avançado e penetrante , com dispositivos de silício constituindo mais de 95 por cento de todos os produtos semicondutores vendidos em todo o mundo.



Muitos dos semicondutores compostos têm algumas propriedades elétricas e ópticas específicas que são superiores às suas contrapartes em silício. Esses semicondutores, especialmente arsenieto de gálio, são usados ​​principalmente para optoeletrônicos e certas aplicações de radiofrequência (RF).

Propriedades eletrônicas

Os materiais semicondutores descritos aqui são monocristais; ou seja, os átomos estão dispostos de forma periódica tridimensional. Parte A dofiguramostra uma representação bidimensional simplificada de um intrínseco cristal de silício (puro) que contém impurezas desprezíveis. Cada átomo de silício no cristal é cercado por quatro de seus vizinhos mais próximos. Cada átomo tem quatro elétrons em sua órbita externa e compartilha esses elétrons com seus quatro vizinhos. Cada par de elétrons compartilhados constitui para ligação covalente . A força de atração entre os elétrons e ambos os núcleos mantém os dois átomos juntos. Para átomos isolados (por exemplo, em um gás em vez de um cristal), os elétrons podem ter apenas níveis de energia discretos. No entanto, quando um grande número de átomos é reunido para formar um cristal, a interação entre os átomos faz com que os níveis discretos de energia se espalhem em faixas de energia. Quando não há vibração térmica (ou seja, em baixa temperatura), os elétrons em um isolador ou cristal semicondutor preencherão completamente uma série de bandas de energia, deixando o resto das bandas de energia vazias. A banda preenchida mais alta é chamada de banda de valência. A próxima banda é a banda de condução, que é separada da banda de valência por uma lacuna de energia (lacunas muito maiores em isoladores cristalinos do que em semicondutores). Este gap de energia, também chamado de bandgap, é uma região que designa energias que os elétrons no cristal não podem possuir. A maioria dos semicondutores importantes tem bandgaps na faixa de 0,25 a 2,5 elétron volts (eV). O bandgap do silício, por exemplo, é 1,12 eV, e o do arsenieto de gálio é 1,42 eV. Em contraste, o bandgap do diamante, um bom isolante cristalino, é de 5,5 eV.



ligações semicondutoras

ligações semicondutoras Três imagens de ligações de um semicondutor. Encyclopædia Britannica, Inc.

Em baixas temperaturas, os elétrons em um semicondutor são ligados em suas respectivas bandas no cristal; conseqüentemente, não estão disponíveis para condução elétrica. Em temperaturas mais altas, a vibração térmica pode quebrar algumas das ligações covalentes para produzir elétrons livres que podem participar da condução de corrente. Quando um elétron se afasta de uma ligação covalente, há uma vacância de elétrons associada a essa ligação. Essa vaga pode ser preenchida por um elétron vizinho, o que resulta em uma mudança do local da vaga de um local de cristal para outro. Esse vazio pode ser considerado uma partícula fictícia, chamada de buraco, que carrega uma carga positiva e se move na direção oposta à de um elétron. Quando um campo elétrico é aplicado ao semicondutor, os elétrons livres (agora residindo na banda de condução) e os buracos (deixados para trás na banda de valência) movem-se através do cristal, produzindo uma corrente elétrica. A condutividade elétrica de um material depende do número de elétrons livres e lacunas (portadores de carga) por unidade de volume e da taxa com que esses portadores se movem sob a influência de um campo elétrico. Em um semicondutor intrínseco, existe um número igual de elétrons livres e lacunas. Os elétrons e lacunas, no entanto, têm mobilidades diferentes; isto é, eles se movem com velocidades diferentes em um campo elétrico. Por exemplo, para o silício intrínseco à temperatura ambiente, a mobilidade do elétron é de 1.500 centímetros quadrados por volt-segundo (cmdois/V·s)— ou seja, um elétron se moverá a uma velocidade de 1.500 centímetros por segundo sob um campo elétrico de um volt por centímetro — enquanto a mobilidade do buraco é de 500 cmdois/ V · s. As mobilidades do elétron e do buraco em um semicondutor específico geralmente diminuem com o aumento da temperatura.



buraco de elétron: movimento

buraco do elétron: movimento Movimento de um buraco do elétron em uma rede cristalina. Encyclopædia Britannica, Inc.



A condução elétrica em semicondutores intrínsecos é muito pobre à temperatura ambiente. Para produzir uma condução mais elevada, pode-se introduzir intencionalmente impurezas (normalmente a uma concentração de uma parte por milhão de átomos hospedeiros). Isso é chamado de dopagem, um processo que aumenta a condutividade apesar de alguma perda de mobilidade. Por exemplo, se um átomo de silício é substituído por um átomo com cinco elétrons externos, como o arsênio ( Vejo parte B dofigura), quatro dos elétrons formam ligações covalentes com os quatro átomos de silício vizinhos. O quinto elétron se torna um elétron de condução que é doado para a banda de condução. O silício se torna um n -tipo semicondutor devido à adição do elétron. O átomo de arsênio é o doador. Da mesma forma, a parte C da figura mostra que, se um átomo com três elétrons externos, como o boro, for substituído por um átomo de silício, um elétron adicional é aceito para formar quatro ligações covalentes em torno do átomo de boro, e um orifício carregado positivamente é criado na banda de valência. Isso cria um p -tipo semicondutor, com o boro constituindo um aceptor.

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