Materiais semicondutores - 1º Parte

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     de informação e a adequação, geração e difusão de tecnologia.

         Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. A característica mais interessante do material semicondutor, e que o torna atrativo do ponto de vista da fabricação de componentes eletrônicos, é a possibilidade de se poder variar substancialmente sua condutividade elétrica pela alteração controlada de sua composição química ou estrutura cristalina.

         Um exemplo típico de um elemento químico que pode formar materiais exibindo características elétricas distintas é o carbono. Dependendo da forma com que os átomos de carbono se interligam, o material formado pode tornar-se um isolante ou um semicondutor.

         Uma das formas naturais de matéria formada por átomos de carbono arranjados ordenadamente em uma estrutura cristalina é o diamante, que é um material de grande dureza e eletricamente isolante.

         Os átomos de carbono podem também arranjar-se naturalmente em uma estrutura amorfa ou não cristalina, dando origem ao grafite que é um material semicondutor.

         Nas seções seguintes serão discutidas algumas das características principais associadas aos materiais semicondutores e a forma pela qual esses materiais podem ser utilizados na construção de dispositivos eletrônicos.

CONSTITUIÇÃO QUÍMICA

         Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência.  Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.

         A Fig.1 ilustra a configuração dos átomos tetravalentes de germânio (Ge) e silício (Si) que dão origem a materiais semicondutores.

Fig.1 Configuração eletrônica dos átomos de silício e germânio.

         Os átomos que têm quatro elétrons na camada de valência tendem a se arranjar ordenadamente na formação do material segundo uma estrutura cristalina com átomos vizinhos compartilhando seus elétrons de valência, conforme ilustrado na Fig.2.

Fig.2 Compartilhamento de elétrons de valência entre dois átomos de silício.

         O compartilhamento de elétrons entre átomos tetravalentes em uma estrutura cristalina é ilustrado na Fig.3a. Esse tipo de ligação química recebe a denominação de ligação covalente, sendo representada simbolicamente por dois traços interligando cada par de núcleos, como mostrado na Fig.3b.

                                                      

Fig.3  Compartilhamento de elétrons entre átomos ligados covalentemente em uma estrutura cristalina e a representação simbólica correspondente.

         Nas ligações covalentes os elétrons permanecem fortemente ligados ao par de núcleos interligados. Por esta razão os materiais formados por estruturas cristalinas puras, compostas unicamente por ligações covalentes, adquirem características de boa isolação elétrica.

Materiais com estruturas cristalinas puras formadas por elementos químicos tetravalentes são bons isolantes elétricos.

         Na forma cristalina, o silício e o germânio puros são materiais semicondutores com propriedades elétricas próximas àquelas de um isolante perfeito.

A Fig.4 mostra uma representação planar do arranjo de átomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada átomo forma quatro ligações covalentes com seus vizinhos.

           

        

Fig.4 Representação planar de uma rede cristalina de átomos tetravalentes. 

A representação ilustrada na Fig.4 é uma versão simplificada da situação real em que os átomos tetravalentes se arranjam em uma estrutura tridimensional. Essa estrutura tridimensional é ilustrada na Fig.5, com os átomos interligados em uma geometria tetraédrica. O tetraedro assim formado sempre contém um átomo central interligado aos seus quatro vizinhos posicionados nos vértices do tetraedro.

Fig.5 Estrutura tridimensional de uma rede cristalina de átomos tetravalentes.

DOPAGEM

         A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.

         Os materiais encontrados em sua forma natural, geralmente contêm um certo grau de impurezas que se instalam durante o processo de formação desses materiais. Essa situação pode ser caracterizada como um processo de dopagem natural.

         A dopagem pode também ser realizada em laboratório, com o objetivo de introduzir no cristal uma determinada quantidade de átomos de impurezas, de forma a alterar, de maneira controlada, as propriedades físicas naturais do material.

         Em um cristal semicondutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas.  O grau de condutividade bem como o mecanismo de condução do semicondutor dopado irá depender dos tipos de átomos de impureza introduzidos no cristal, como descrito a seguir.

SEMICONDUTOR TIPO n

         Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n. Neste processo, uma pequena quantidade dos átomos dopantes introduz apenas ligeiras modificações na estrutura cristalina do semicondutor puro.

         Um exemplo típico de formação de um semicondutor tipo n ocorre quando átomos de fósforo são introduzidos na estrutura cristalina do silício. Conforme ilustrado na Fig.6, apenas quatro dos cinco elétrons de valência do fósforo, podem participar das ligações covalentes com os átomos de silício.

Fig.6 Dopagem de silício com átomo de fósforo.

         Como mostrado na Fig.6, o quinto elétron de valência do átomo de fósforo não participa de nenhuma ligação covalente, pois não existe um segundo elétron de valência disponível nos átomos vizinhos que possibilite a formação dessa ligação. Esse elétron extra pode, portanto, ser facilmente liberado pelo átomo de fósforo, passando a transitar livremente através da estrutura do cristal semicondutor.

         Com a adição de impurezas, e conseqüente aumento no número de elétrons livres, conforme ilustrado na Fig.7, o cristal que era puro e isolante passa a ser condutor de corrente elétrica.  É importante observar que embora o material tenha sido dopado, o número total de elétrons permanece igual ao número total de prótons no cristal, de forma que o material continua eletricamente neutro.

Fig.7 Elétrons livres no silício dopado com fósforo.

         O semicondutor dopado com átomos contendo excesso de um ou mais elétrons na camada de valência recebe a denominação de semicondutor tipo n, pois nesses materiais a corrente elétrica é conduzida predominantemente por cargas negativas. Essa condução elétrica ocorre independentemente da polaridade da tensão aplicada entre as extremidades do material semicondutor, conforme ilustrado na Fig.8. 

Fig.8 Corrente de elétrons em um semicondutor tipo n.

SEMICONDUTOR TIPO p

         Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.

         O átomo de índio, por exemplo, que tem três elétrons na camada de valência, quando utilizado no processo de dopagem do silício dá origem a um semicondutor tipo p, conforme ilustrado na Fig.9.

Fig.9 Dopagem de silício com átomo de índio.

         Como se pode observar na Fig.9, o átomo de índio se acomoda na estrutura cristalina, formando três ligações covalentes com átomos vizinhos de silício. Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio.  Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.

         A existência de lacunas no semicondutor permite que haja um mecanismo de condução distinto daquele observado em um semicondutor tipo n.  No caso do semicondutor tipo n, os elétrons adicionais resultantes do processo de dopagem podem transitar livremente no interior do material.  Por outro lado, quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um elétron proveniente de uma ligação covalente só poderá transitar para um ponto do cristal onde haja uma lacuna disponível.

Esse mecanismo de condução está ilustrado na Fig.10, onde se considera uma representação de um cristal de silício dopado com átomos de índio submetido a uma ddp. 

         O movimento de elétrons de valência se dá do pólo negativo para o pólo positivo, pela ocupação de lacunas disponíveis na rede cristalina. Nesse processo, cada elétron torna disponível uma nova lacuna em seu sítio de origem,  como pode ser observado na representação da Fig.10.

         Esse movimento de elétrons equivale portanto, a um movimento de lacunas do pólo positivo para o pólo negativo do material.

De acordo com esse ponto de vista, as lacunas em um semicondutor dopado se comportam efetivamente como cargas positivas que podem transitar em um cristal quando este está submetido a uma tensão externamente aplicada.

         O semicondutor dopado com átomos contendo deficiência de um ou mais elétrons na camada de valência recebe a denominação de semicondutor tipo p, pois nesses materiais a corrente elétrica é conduzida predominantemente por lacunas que se comportam como portadores de carga positiva durante o processo de condução elétrica.

         Como no processo de condução elétrica de um semicondutor tipo n, o movimento de lacunas em um semicondutor tipo p, submetido a uma ddp, ocorre independentemente da polaridade da tensão aplicada entre as extremidades do material.

        

         Analisando-se as propriedades básicas de semicondutores dopados, nota-se que o número de elétrons em um semicondutor tipo n, ou lacunas em um semicondutor  tipo  p,  cresce com o aumento do número de átomos  de impurezas introduzidas no cristal.  Com o aumento do número de portadores de carga, aumenta a condutividade elétrica do material. Dessa forma, torna-se possível alterar de forma controlada a condutividade elétrica de um semicondutor, efetuando-se a dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal durante a etapa de fabricação.

Essa característica de controle externo de condutividade possibilita o uso de cristais semicondutores como matéria prima na fabricação de componentes eletrônicos, incluindo diodos, transistores, circuitos integrados etc., bem como na construção de dispositivos optoeletrônicos, tais como fotodetetores, diodos emissores de luz e lasers semicondutores.

 A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser controlada pela dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal, durante a etapa de fabricação.

PROPRIEDADES TÉRMICAS

A temperatura exerce influência direta sobre as propriedades elétricas de materiais semicondutores.  Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento de energia térmica do elétron de valência facilita a sua liberação da ligação covalente de que participa.  Cada ligação covalente que se desfaz por esse processo propicia, portanto, a geração de um par elétron/lacuna a mais na estrutura do cristal, conforme ilustrado na Fig.11.

Fig.11 Geração por aquecimento de pares elétron/lacuna em um semicondutor.

O aumento do número de portadores devido ao aquecimento do cristal aumenta sua condutividade, permitindo assim que se obtenha um maior fluxo de corrente no material.

         
O DIODO SEMICONDUTOR

O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais.  Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.

FORMAÇÃO DO DIODO - JUNÇÃO pn

Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig.12. Existem vários processos que permitem a fabricação desse tipo de estrutura e que utilizam técnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominação de junção pn.

Fig.12 Diodo semicondutor.

Conforme ilustrado na Fig.13, logo após a formação da junção pn,  alguns elétrons livres se difundem do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre com algumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para o semicondutor tipo n.

Fig.13 Difusão de elétrons e lacunas logo após a formação da junção pn.

Durante o processo de difusão, parte dos elétrons livres se recombinam com lacunas na região próxima à junção.   A diminuição do número de elétrons livres existentes inicialmente do lado n que conseguiram se difundir e recombinar com as lacunas no lado p, produz uma região de cargas positivas do lado n e negativas do lado p da junção. 

Conforme ilustrado na Fig.14, as cargas produzidas nas proximidades da junção são cargas fixas à rede cristalina. Essa região de cargas próxima à junção é denominada região de cargas descobertas ou região de depleção.

Fig.14 Região de cargas descobertas nas proximidades da junção pn.

         Com o aparecimento da região de depleção, o transporte de elétrons para o lado p é bloqueado, pois estes são repelidos da região negativamente carregada do lado p. O mesmo efeito se aplica para lacunas cujo transporte para o lado n é repelido pelas cargas positivas existentes no lado n da junção.

         Portanto, imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.

 Imediatamente após a formação da junção pn, aparece uma barreira de potencial que é positiva do lado n e negativa do lado p da junção.

         A tensão V_B proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo, depende do material utilizado na sua fabricação. Valores aproximados para os diodos de germânio e silício são V_B = 0,3 V e V_B = 0,7 V, respectivamente.

         Não é possível medir diretamente o valor de V_B aplicando um voltímetro conectado aos terminais do diodo, porque essa tensão existe apenas em uma pequena região próxima à junção.  No todo, o componente é eletricamente neutro, uma vez que não foram acrescentados nem retirados portadores do cristal.

Fig.15 Representação do diodo.

O diodo semicondutor é representado em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado na Fig.15. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo do diodo, enquanto o terminal da barra representa o material n, denominado de cátodo do diodo.

A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o cátodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente, conforme ilustrado na Fig. 16.

Fig.16 Formas de identificação dos terminais do diodo semicondutor para dois tipos comuns de encapsulamento.

         Observa-se que o comportamento de qualquer componente eletrônico depende diretamente da sua temperatura de trabalho. Essa dependência térmica é um fator importante que deve ser considerado quando se projeta ou se montam circuitos com esses componentes.