Semicondutor

Um semicondutor é um material com condutividade eléctrica devido ao fluxo de electrões (por oposição aos condutividade iónica) intermédia em magnitude que de entre um condutor e um isolante. Isto significa uma condutividade na gama de cerca de ^03-10 outubro ^-8 siemens por centímetro. Materiais semicondutores são a base da eletrônica moderna, incluindo rádio, computadores, telefones, e muitos outros dispositivos. Tais dispositivos incluem transistores, células solares, muitos tipos de diodos incluindo o diodo emissor de luz, o retificador controlado de silício e circuitos integrados digitais e analógicos. Da mesma forma, semicondutores painéis solares fotovoltaicos convertem diretamente a energia da luz em energia elétrica. Em um condutor metálico, a corrente é transportada pelo fluxo de electrões . Em semicondutores, a corrente é frequentemente esquematizado como sendo realizada quer pelo fluxo de electrões ou pelo fluxo de carga positiva " buracos "na estrutura de electrões do material. Na realidade, no entanto, em ambos os casos apenas movimentos de electrões estão envolvidos.

Materiais semicondutores comuns são sólidos cristalinos, mas semicondutores amorfos e líquidas são conhecidas. Estes incluem de silício amorfo hidrogenado e misturas de arsénio , selénio e telúrio em uma variedade de proporções. Tais compostos partilham com semicondutores melhor conhecidos condutividade intermédia e uma variação rápida da condutividade com a temperatura, assim como ocasional resistência negativa. Tais materiais desordenados falta a estrutura cristalina rígida dos semicondutores convencionais, tais como silício e são geralmente utilizados em estruturas de película fina, que são menos exigentes no que diz respeito para a qualidade electrónica do material e, assim, são relativamente insensíveis às impurezas e os danos da radiação. Semicondutores orgânicos, isto é, materiais orgânicos com propriedades que se assemelham semicondutores convencionais, são também conhecidos.

Silício é usado para criar a maioria dos semicondutores comercialmente. Dezenas de outros materiais são usados, incluindo o germânio , arsenieto de gálio, e carboneto de silício. Um semicondutor puro é muitas vezes chamado de semicondutores "intrínseco". As propriedades electrónicas e da condutividade de um semicondutor pode ser alterado de um modo controlado através da adição de quantidades muito pequenas de outros elementos, chamados de "contaminantes", para o material intrínseco. Em silício cristalino normalmente isto é conseguido por adição de impurezas de boro ou de fósforo à massa fundida e, em seguida, permitindo que a massa fundida a solidificar dentro do cristal. Este processo é chamado de "doping".

Explicando bandas de energia de semicondutores

Há três formas populares de classificar a estrutura eletrônica de um cristal.

• Estrutura de banda

• átomos - cristal - vácuo
• 

  Em um único átomo-H um electrão reside em orbitais bem conhecidos. Note-se que as orbitais são chamados s, p, d, a fim de aumentar a corrente circular.

• 

  Colocar dois átomos juntos leva a orbitais deslocalizados ao longo de dois átomos, produzindo um ligação covalente. Devido à Princípio de exclusão de Pauli, cada estado pode conter somente um elétron.

• 

  Isto pode ser continuado com mais átomos. Nota: Esta imagem mostra um metal, não um semicondutor real.

• 

  Continuar a adicionar cria um cristal, que pode então ser cortado numa fita e fundidas em conjunto nas extremidades para permitir que as correntes circulares.

• 

  Para este sólido estrutura regular da banda pode ser calculada ou medida.

• 

  Integrando ao longo do eixo k dá as faixas de um semicondutor que mostra uma banda de valência completa e uma banda de condução vazia. Geralmente parar no nível de vácuo é indesejável, porque algumas pessoas querem calcular: fotoemissão, photoemission inversa

• 

  Depois de a estrutura de banda é determinada estados podem ser combinados para gerar pacotes de ondas. Como este é análoga à onda pacotes no espaço livre, os resultados são semelhantes.

• 

  Um descrição alternativa, que não realmente apreciar a interação Coulomb forte, dispara elétrons livres no cristal e olha para a dispersão.

• 

  Um terceiro descrição alternativa usa elétrons desemparelhados fortemente localizadas em ligações químicas, o que parece quase como um Mott isolador.

Bandas de energia e de condução elétrica

Nos semicondutores cristalinos clássicos, os elétrons podem ter energias apenas dentro de determinados bandas (ou seja, intervalos de níveis de energia). Energeticamente, estas bandas estão localizados entre a energia do estado fundamental, que corresponde a de elétrons fortemente ligadas aos núcleos atómicos do material, e a energia de electrões livres. Esta última é a energia necessária para um electrão para escapar inteiramente a partir do material. As bandas de energia cada um corresponde a um grande número de discreta estados quânticos de elétrons, ea maioria dos estados com baixo consumo de energia (mais perto do núcleo) estão cheios, até uma determinada banda chamada valência banda. Semicondutores e isoladores são distinguidos dos metais pois a banda de valência nelas está quase cheia com electrões sob condições de funcionamento normais, ao passo que muito poucas (semicondutor) ou praticamente nenhum (isolador) deles estão disponíveis na banda de condução, a banda imediatamente acima da valência banda.

A facilidade com que os elétrons em um semicondutor pode ser animado da banda de valência para a banda de condução depende da gap entre as bandas. O tamanho desta banda proibida energia serve como uma linha divisória arbitrária (aproximadamente 4 eV) entre semicondutores e isoladores.

Com ligações covalentes, um elétron se move por hopping para uma ligação vizinho. O Princípio de exclusão de Pauli requer o elétron a ser levantado no maior estado anti-colagem de que o vínculo. Para estados deslocalizados, por exemplo, em uma dimensão - que está numa nanofio, para cada energia lá é um estado com elétrons que fluem em uma direção e outro estado com os elétrons que fluem no outro. Para uma corrente de líquido a fluir, mais estados para uma direção do que para o outro sentido deve ser ocupado. Para que isto aconteça, é necessário energia, como no semicondutor as seguintes estados mais elevados encontram-se acima da lacuna da banda. Muitas vezes, esta é indicada como: bandas completas não contribuem para o condutividade elétrica. No entanto, como a temperatura de um semicondutor se eleva acima do zero absoluto , não há mais energia no semicondutor para gastar em vibração da estrutura e - mais importante para nós - no levantamento de alguns elétrons em uma estados de energia da banda de condução. Os elétrons condutores de corrente na banda de condução são conhecidos como "elétrons livres", embora sejam muitas vezes chamado simplesmente de "elétrons" se o contexto permite esse uso para ser claro.

Os elétrons excitados para a banda de condução também deixar para trás furos de electrões, ou estados desocupados na banda de valência. Ambos os elétrons da banda de condução e os buracos da banda de valência contribuir para a condutividade elétrica. Os furos próprios não realmente mover, mas um electrão vizinho pode mover-se para preencher o vazio, deixando um furo no local que acaba de chegar, e deste modo os orifícios parece mover-se, e os furos se comportam como se fossem partículas carregadas positivamente reais.

Um ligação covalente entre átomos vizinhos no sólido é dez vezes mais forte do que a ligação do único electrão ao átomo, de modo que libertando o electrão não implica a destruição da estrutura do cristal.

Ausência de elétrons como um transportador de carga: Buracos

O conceito de furos também pode ser aplicado a metais , onde os Nível de Fermi está dentro da banda de condução. Com a maioria dos metais, a Efeito de Hall indica elétrons são os portadores de carga. No entanto, alguns metais têm uma banda de condução principalmente cheio. Nestes, o Efeito de Hall revela portadores de carga positivos, que não são as de íon-cores, mas buracos. No caso de um metal, apenas uma pequena quantidade de energia é necessária para os electrões para encontrar outros estados desocupados para se mover e, consequentemente, para que a corrente flua. Às vezes, mesmo neste caso, pode-se dizer que um buraco foi deixado para trás, para explicar por que o elétron não cair de volta para energias mais baixas: Não pode encontrar um buraco. No final, em ambos os materiais de electrões espalhamento de fônons e defeitos são as causas dominantes para resistência .

Distribuição de Fermi-Dirac. Estados com ε energia abaixo da energia Fermi, aqui μ, têm maior probabilidade de n a ser ocupado, e aqueles acima são menos susceptíveis de serem ocupados. Manchas da distribuição aumenta com a temperatura.

A distribuição de energia dos electrões determina qual dos estados são preenchidos e que estão vazios. Esta distribuição é descrito pela Estatísticas de Fermi-Dirac. A distribuição é caracterizada por a temperatura dos electrões, ea Fermi energia ou nível de Fermi. Sob condições de zero absoluto a energia de Fermi pode ser pensado como a energia até que os estados de elétrons disponíveis estão ocupados. A temperaturas mais elevadas, a energia de Fermi é a energia com que a probabilidade de um estado a ser ocupada caiu para 0,5.

A dependência da distribuição de energia de electrões de temperatura também explica por que a condutividade de um semicondutor tem uma forte dependência da temperatura, tal como um semicondutor de operar a temperaturas mais baixas terão menos electrões e lacunas livres disponíveis capazes de fazer o trabalho.

Dispersão de energia-momentum

Na descrição anterior, um facto importante é ignorada por uma questão de simplicidade: a dispersão da energia. A razão que as energias dos estados são alargadas numa banda é que a energia depende do valor do wave, ou k-vector, do elétron. O vetor-k, na mecânica quântica, é a representação do impulso de uma partícula.

A relação determina a dispersão massa efectiva, m ^*, ou furos de electrões no semicondutor, de acordo com a fórmula:

A massa efectiva é importante uma vez que afecta muitas das propriedades eléctricas dos semicondutores, tais como a de elétrons ou furo mobilidade, que por sua vez influencia a difusividade dos portadores de carga eo condutividade eléctrica do semicondutor.

Tipicamente, a massa efetiva de elétrons e buracos são diferentes. Isto afecta o desempenho relativo de p-canal e n-channel IGFETs.

A parte superior da banda de valência e da parte inferior da banda de condução não pode ocorrer à mesma valor de k. Os materiais com esta situação, tais como silício e germânio , como são conhecidos materiais de bandgap indireta. Materiais em que a banda extremos são alinhados em k, por exemplo arsenieto de gálio, são chamados semicondutores de bandgap direta. Semicondutores de hiato diretos são particularmente importantes optoeletrônica, porque eles são muito mais eficientes como emissores de luz do que os materiais de gap indiretos.

Geração e recombinação transportadora

Quando radiação ionizante atinge um semicondutor, pode excitar um elétron de seu nível de energia e, consequentemente, deixar um buraco. Este processo é conhecido como elétron-buraco par geração. Pares elétron-buraco são constantemente gerados a partir de energia térmica, bem como, na ausência de qualquer fonte de energia externa.

Pares elétron-buraco também estão aptos a se recombinar. Conservação da energia exige que estes eventos de recombinação, em que um elétron perde uma quantidade de energia maior do que o band gap, ser acompanhada pela emissão de energia térmica (sob a forma de fônons) ou radiação (na forma de fótons ).

Em alguns estados, a geração e recombinação de pares elétron-buraco estão em equilíbrio. O número de pares elétron-buraco na estado estacionário, a uma dada temperatura é determinada pela mecânica estatística quântica. Os precisas mecânica quântica mecanismos de geração e recombinação são regidos por conservação de energia e conservação do momento .

À medida que a probabilidade de que os electrões e os furos se reúnem é proporcional ao produto das suas quantidades, o produto está em estado estacionário praticamente constante a uma dada temperatura, desde que não há nenhum campo eléctrico significativo (que pode "lavar" transportadores de ambos os tipos, ou movê-los de regiões vizinhas que contenham mais deles para atender juntos) ou geração par comandado do exterior. O produto é uma função da temperatura, como a probabilidade de obtenção de energia térmica suficiente para produzir um par aumenta com a temperatura, sendo cerca de exp (- E _L / kT), onde k é Constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta e E _G é gap.

A probabilidade de reunião é aumentada pela transportadora-armadilhas impurezas ou luxações que pode prender um elétron ou um buraco e segure-o até um par está concluída. Tais armadilhas de suporte são, por vezes, propositadamente adicionado para reduzir o tempo necessário para atingir o estado estacionário.

Semi-isoladores

Alguns materiais são classificados como semi-isolantes. Estes têm mais perto que a condutividade eléctrica de isoladores eléctricos. Semi-isoladores encontrar nichos de aplicações em micro-eletrônica, tais como substratos para HEMT. Um exemplo de um semi-isolador é comum arsenieto de gálio.

Doping

A propriedade de semicondutores que os torna muito úteis para a construção de dispositivos electrónicos é que a sua condutividade pode ser facilmente modificado através da introdução de impurezas no seu estrutura de cristal. O processo de adição de impurezas controladas de um semicondutor é conhecido como a dopagem. A quantidade de impureza, ou dopante, adicionados a um intrínseco (puro) semicondutor varia seu nível de condutividade. Semicondutores dopados são muitas vezes referidos como extrínseca. Ao adicionar a impureza de semicondutores puros, a condutividade eléctrica podem variar não apenas ao número de átomos de impureza mas também, pelo tipo de átomo de impureza e as mudanças podem ser mil milhões de pregas e dobras. Por exemplo, um centímetro ³ de um metal ou de semicondutor de amostras tem um número de átomos na ordem de 10 ^22. Uma vez que cada átomo de metal de pelo menos doa um electrão livre para a condução do metal em, 1 ^cm3 de metais contêm electrões livres no ordem de 10 ^22. No temperatura próxima de 20 ° C, 1 ^cm3 de germânio puro contém cerca de 4,2 x 10 e ²² átomos de 2,5 x 10 ¹³ electrões livres e 2,5 x 10 ¹³ buracos (espaços vazios na estrutura de cristal possuindo carga positiva) A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁷ elétrons livres no mesmo volume ea condutividade elétrica aumenta cerca de 10 mil vezes ".

Dopantes

Os materiais escolhidos como dopantes adequados dependem das propriedades atómicas de tanto o contaminante e o material a ser dopadas. Em geral, os contaminantes que produzem as alterações desejadas controladas são classificadas como de electrões aceitantes ou doadores. Um átomo dador que activa (isto é, torna-se incorporado na rede cristalina) doa electrões de valência fracamente ligada ao material, criando excesso negativo portadores de carga. Estes electrões fracamente ligados podem mover-se na rede do cristal de forma relativamente livre e pode facilitar a condução na presença de um campo eléctrico. (Os átomos doadores introduzir alguns estados abaixo, mas muito perto da borda banda de condução. Elétrons nesses estados pode ser facilmente animado para a banda de condução, tornando-se elétrons livres, à temperatura ambiente.) Por outro lado, um receptor activado produz um buraco. Semicondutores dopados com impurezas dadoras são chamadas do tipo n , enquanto que aqueles dopado com impurezas aceitadoras são conhecidos como do tipo p . N e P Tipo designações indicam que cobram atos transportadora como o material de portador majoritário. O transportador oposta é denominada portadores minoritários, que existe devido à excitação térmica a uma concentração muito mais baixa em comparação com a maioria transportadora.

Por exemplo, o puro semicondutor de silício tem quatro elétrons de valência. No silício, os contaminantes mais comuns são IUPAC grupo 13 (vulgarmente conhecido como grupo III) e grupo 15 (vulgarmente conhecido como Grupo V) elementos. Grupo 13 elementos contêm três electrões de valência, fazendo com que elas funcionem como aceitadores quando usado para dopar de silício. Grupo 15 tem cinco elementos electrões de valência, o que lhes permite actuar como um doador. Portanto, um cristal de silício dopado com boro cria um semicondutor do tipo p enquanto que um dopada com fósforo resulta em um material do tipo n.

Concentração de portadores

A concentração de dopante introduzido a um semicondutor intrínseco determina a sua concentração e indirectamente afecta muitas das suas propriedades eléctricas. O fator mais importante que afeta diretamente o doping é concentração de portadores do material. Num semicondutor intrínseco sob o equilíbrio térmico, a concentração de electrões e lacunas é equivalente. Isto é,

Se temos um semicondutor não-intrínseca em equilíbrio térmico a relação torna-se:

em que n ₀ é a concentração de electrões conduzindo, p ₀ é a concentração de buracos de electrões, e n é a concentração _{de i} transportador intrínseca do material. Concentração de portadores intrínseco varia entre materiais e é dependente da temperatura. N _i do Silício, por exemplo, é de aproximadamente 1,08 × ¹⁰ 10 cm ^-3 em 300 graus Kelvin (temperatura ambiente).

Em geral, um aumento na concentração de dopagem proporciona um aumento na condutividade devido à maior concentração de transportadores disponíveis para condução. Degenerately semicondutores (muito bem) dopados têm níveis de condutividade comparáveis aos metais e são frequentemente utilizados em modernos circuitos integrados como um substituto para o metal. Muitas vezes, mais e menos símbolos sobrescritos são usados para denotar concentração doping relativa em semicondutores. Por exemplo, n ⁺ indica um semicondutor do tipo n, com um nível elevado, frequentemente degenerar, a concentração de dopante. Da mesma forma, p ^- indicaria um material do tipo p muito levemente dopado. É interessante notar que mesmo níveis de dopagem degenerados implicam baixas concentrações de impurezas no que diz respeito à base de semicondutores. No silício cristalino intrínseca, existem cerca de 5 × 10 ²² átomos / cm. Concentração doping para semicondutores de silício podem variar de 10 ¹³ cm ^-3 a 10 ¹⁸ cm ^-3. A dopagem concentração acima de cerca de 10 ¹⁸ cm ^-3 degenerado é considerado em temperatura ambiente. Silício dopado Degenerately contém uma percentagem de impureza de silício da ordem de partes por mil. Esta proporção pode ser reduzido a partes por bilhão em silício levemente dopado. Os valores de concentração típicas cair algures neste intervalo e são adaptados para produzir as propriedades desejadas do dispositivo semicondutor que a que se destina.

Efeito sobre a estrutura de banda

Diagrama de banda de operação de junção PN no modo de polarização direta mostrando redução largura esgotamento. Ambos p e n são dopados junções a um nível de dopagem 1e15 / cm3, levando à potencial interno de ~ 0.59V. Largura esgotamento reduzindo pode ser inferida a partir do perfil de carga encolhendo, como menos dopantes são expostos com o aumento para a frente viés .

Doping um cristal semicondutor introduz permitiu estados de energia dentro do gap, mas muito perto da faixa de energia que corresponde ao tipo de contaminante. Em outras palavras, impurezas doadoras criar estados próximos a banda de condução, enquanto receptores de criar estados perto da banda de valência. A diferença entre esses estados de energia e da banda de energia mais próxima é normalmente referido como dopante local energia de ligação ou E e _B é relativamente pequeno. Por exemplo, o E _B para boro em grandes quantidades de silício é de 0,045 eV, em comparação com gap de silício de cerca de 1,12 eV. E porque _B é tão pequena, que leva pouca energia para ionizar os átomos dopantes e criar portadores livres nas faixas de condução ou de valência. Normalmente, a energia térmica disponível, a temperatura ambiente é suficiente para ionizar a maior parte do contaminante.

Os dopantes também tem o efeito importante de deslocar o nível de Fermi de materiais para a faixa de energia que corresponde com o contaminante com a maior concentração. Uma vez que o nível de Fermi deve permanecer constante, num sistema equilíbrio termodinâmico, o empilhamento de camadas de materiais com propriedades diferentes conduz a muitas propriedades eléctricas úteis. Por exemplo, a Propriedades da junção pn são devidas à flexão banda de energia que ocorre como um resultado de alinhar os níveis de Fermi em contacto de regiões de tipo-p e n tipo de material.

Este efeito é mostrado numa diagrama de banda. O diagrama de banda tipicamente indica a variação nas bordas da banda de valência e banda de condução contra alguma dimensão espacial, muitas vezes denotado x. A energia Fermi também é geralmente indicada no diagrama. Às vezes a energia intrínseca de Fermi, E _i, que é o nível de Fermi na ausência de dopagem, é mostrada. Estes diagramas são úteis na explicação da operação dos vários tipos de dispositivos semicondutores .

Preparação de materiais semicondutores

Semicondutores com previsíveis, propriedades eletrônicas confiáveis são necessários para produção em massa. O nível de pureza química necessária é extremamente alto, porque a presença de impurezas, mesmo em proporções muito pequenas pode ter grandes efeitos sobre as propriedades do material. É também necessário um alto grau de perfeição cristalina, uma vez que as falhas na estrutura cristalina (tais como luxações, gêmeos, e falhas de empilhamento) interferir com as propriedades semicondutoras do material. Defeitos cristalinos são uma das principais causas de dispositivos semicondutores defeituosos. Quanto maior for o cristal, mais difícil é alcançar a perfeição necessário. Processos de produção atuais massa usar cristal lingotes entre 100 mm e 300 mm (4-12 polegadas) de diâmetro, que são cultivadas como cilindros e cortados em wafers.

Devido ao nível requerido de pureza química e a perfeição da estrutura cristalina, que são necessários para fazer dispositivos semicondutores, métodos especiais têm sido desenvolvidas para produzir o material inicial de semicondutores. Uma técnica para alcançar a elevada pureza inclui crescimento do cristal utilizando o Processo Czochralski. Um passo adicional que pode ser utilizado para aumentar ainda mais a pureza é conhecido como zona de refinação. Na área de refinação, que faz parte de um cristal sólido é fundido. As impurezas tendem a concentrar-se na região derretido, enquanto o material desejado recrystalizes deixando o material sólido mais pura e com menos defeitos cristalinos.

Na fabricação de dispositivos semicondutores envolvem heterojunções entre os diferentes materiais semicondutores, o constante de rede, que é o comprimento do elemento de repetição da estrutura cristalina, é importante para a determinação do grau de compatibilidade de materiais.