Eles se sentam no meio. Não é exatamente um condutor como o cobre, nem um isolante como a borracha. Esse “espaço intermediário” faz dos materiais semicondutores a espinha dorsal de todos os dispositivos que tocamos hoje.
Sem esses sólidos cristalinos, não teríamos smartphones nos bolsos, servidores rodando a Internet e carros elétricos na estrada. Diodos, transistores e circuitos integrados são todos baseados neles. Eles são pequenos. Eles são confiáveis. E o mais importante: você não desperdiça muita energia.
Lacuna de condutividade
Os materiais são geralmente divididos em três categorias.
Isoladores bloqueiam eletricidade. Pense em sílica fundida ou vidro. Sua condutividade é incrivelmente baixa, normalmente entre US$ 10^{-18} e US$ 10^{-10} Siemens por centímetro. Condutores como o alumínio permitem que a corrente flua sem impedimentos. Sua condutividade é alta, normalmente de US$ 10^4$ a US$ 10^6$ Siemens por centímetro.
Os semicondutores vivem em um estado caótico entre eles.
A condutividade de um semicondutor não é fixa. Isso muda.
Essa variabilidade é um recurso, não um bug. Temperatura. Luz. Campos magnéticos. Mesmo as menores impurezas podem alterar radicalmente a condutividade elétrica do semicondutor.
Pegue o silício. É o material semicondutor mais comum. O silício puro não é particularmente condutor. Mas se adicionarmos apenas um punhado de átomos de boro – cerca de 10 átomos de boro por milhão de átomos de silício – o jogo muda completamente.
Essa pequena adição, também chamada de doping, aumenta mil vezes a condutividade elétrica.
Por que isso é importante? Porque permite que os engenheiros criem componentes com características de potência precisas e controláveis. Você pode construir transistores que atuam como interruptores ou amplificadores. Você pode criar sensores ópticos que detectam luz. Você pode fazer lasers de estado sólido que emitem feixes precisos.
Esses componentes separados são úteis. Mas a sua verdadeira força está na integração. Eles podem ser compactados em circuitos microeletrônicos. Essa integração permite a computação moderna. Estamos falando de sistemas complexos que cabem em um chip do tamanho de uma unha.
Essa escalabilidade impulsiona os mercados de consumo e industriais. Os semicondutores são elementos-chave do processamento de sinais aos sistemas de controle. Eles estão por toda parte. E assim permanecerão no futuro próximo.
A história dos semicondutores começa com os átomos. No início de 1800, os pesquisadores começaram a estudar os materiais entre condutores e isoladores. Os mais simples são elementares. Eles consistem em apenas um tipo de átomo. O silício (Si), o germânio (Ge) e o estanho (Sn) pertencem ao grupo IV da tabela periódica dos elementos. O selênio (Se) e o telúrio (Te) estão na sexta coluna.
Mas a verdadeira complexidade vem dos compostos. São misturas de dois ou mais elementos. O arseneto de gálio (GaAs) é um composto binário III-V. Ele combina o gálio da coluna III com o arsênico da coluna V. Você pode ficar ainda mais complexo. Os compostos ternários contêm três elementos. Telureto de mercúrio-índio (HgIn2Te4) é um exemplo de II-III-VI. Em alguns casos, podem vir de apenas duas colunas. O arsenieto de alumínio e gálio (AlGaAs) é uma liga ternária dos grupos III-V. Alumínio e gálio estão ambos na terceira coluna. A proporção depende da composição. Se o subscrito x for 1, é alumínio puro. 0 significa gálio puro.
O silício puro ainda é o rei dos circuitos integrados. No entanto, em termos de luminescência, os compostos binários e ternários III-V são dominantes.
A mudança do germânio para o silício
Antes de 1947, os semicondutores eram simples. Eles eram dispositivos de dois terminais. Use como retificador. Ou como fotodiodos. Depois veio o transistor bipolar. Isso muda tudo.
No início da década de 1950, o germânio era o material preferido. Funcionou. Mas tinha uma falha. Dispositivos feitos de germânio apresentam muita corrente de fuga. Mesmo em temperaturas moderadas, o vazamento é inaceitável em muitas aplicações.
O silício entrou em cena no início da década de 1960. Rapidamente substituiu o germânio. As razões eram práticas. Primeiro, os dispositivos de silício têm correntes de fuga muito mais baixas. Em segundo lugar, o dióxido de silício (SiO2) é facilmente formado na superfície do silício. Forma isolamento de alta qualidade. Isso facilita a fabricação.
Hoje, a tecnologia do silício está em toda parte. Os dispositivos de silício representam mais de 95% de todos os produtos semicondutores em todo o mundo.
Pontos brilhantes de semicondutores compostos
O silício é versátil. No entanto, não é adequado para todos os trabalhos. Muitos semicondutores compostos possuem propriedades elétricas e ópticas que o silício não consegue igualar. O arseneto de gálio é o exemplo mais proeminente. É melhor para lidar com luz e certas frequências de rádio.
É por isso que os principais processadores dos computadores não encontram GaAs. Você pode encontrá-lo na área de optoeletrônica. Encontrado em aplicações de RF. Nestes nichos de mercado, as limitações do silício tornam-se aparentes.
材料选择如何定义设备性能
材料的选择不仅仅是学术性的。 它决定了设备实际可以做什么。 如果您需要处理数据，硅就是答案。 如果您需要发光或传输高频信号,您就会寻找其他地方。
这种分工解释了现代半导体的格局。 一种材料主导体积。 其他人主导特定领域的表现。 原子的物理性质决定了应用。
Como os átomos formam uma base de silício
Os semicondutores são baseados em monocristais. Os átomos se organizam em uma rede tridimensional compacta. No silício puro, essa estrutura é quase perfeita.
Veja uma seção 2D simplificada deste cristal. Cada átomo de silício está rodeado por quatro vizinhos. Possui quatro elétrons externos. Isso os compartilha. Cada par compartilhado forma uma ligação covalente. A atração entre elétrons e núcleos mantém a rede unida.
Átomos isolados se comportam de maneira diferente. Eles têm níveis de energia separados. Quando você junta muitos átomos em um cristal, esses níveis se espalham. Eles se tornam faixas de energia.
Barreira bandgap
A temperatura é importante. No zero absoluto, sem oscilação térmica, os elétrons preenchem completamente certas bandas. A banda mais preenchida é a banda de valência. Acima disso está a banda de condução.
Existe uma lacuna entre eles. Uma zona proibida. Os elétrons não podem existir aqui. Os isoladores têm uma lacuna enorme. Os semicondutores têm um menor. Este bandgap determina o comportamento do material.
Os semicondutores mais úteis estão entre 0,25 e 2,5 elétron-volts. O silício tem 1,12 eV. O arsenieto de gálio é 1,42 eV. O diamante, um isolante perfeito, se estende até 5,5 eV. O tamanho dessa lacuna determina a facilidade com que a corrente flui.
Em um semicondutor puro, os elétrons ficam presos em baixas temperaturas. Eles ficam nas faixas atribuídas e são inúteis para conduzir eletricidade. O calor muda isso. As vibrações térmicas podem quebrar ligações covalentes e liberar elétrons para transportar eletricidade. Mas a liberação de um elétron deixa um buraco.
Esta vaga é um “buraco”.
Os buracos agem como partículas fictícias com carga positiva. Eles se movem na direção oposta aos elétrons. Quando você aplica um campo elétrico, tanto os elétrons livres na banda de condução quanto os buracos na banda de valência se movem através do cristal. Este movimento duplo cria corrente. A condutividade depende de duas coisas: a densidade destes portadores de carga e a sua mobilidade.
Em um semicondutor intrínseco, o número de elétrons livres é igual ao número de lacunas. No entanto, eles não se movem na mesma velocidade. A mobilidade dos elétrons é normalmente maior. Pegue o silício intrínseco à temperatura ambiente. Os elétrons viajam a 1.500 cm²/V·s. Os furos ficam para trás em 500 cm²/V·s. Geralmente, quando a temperatura aumenta, a mobilidade cai para ambos.
O silício puro conduz mal à temperatura ambiente. Para consertar isso, os fabricantes se drogam. Eles introduzem impurezas em cerca de uma parte por milhão. Isso cria um semicondutor extrínseco. A dopagem aumenta a condutividade, embora reduza ligeiramente a mobilidade.
Criação de materiais tipo n e tipo p
O doping funciona trocando átomos.
Quando você substitui um átomo de silício por um átomo pentavalente, como o arsênico, quatro de seus cinco elétrons externos se ligam aos átomos de silício vizinhos. O quinto elétron é livre. Ele se junta à banda de condução. Isso cria um semicondutor tipo n. O arsênico é um doador. Doa elétrons.
Se você substituir o silício por um átomo trivalente como o boro, ele terá apenas três elétrons externos. É necessário um quarto para formar ligações covalentes estáveis. Ele rouba um elétron de uma ligação próxima. Isso cria um buraco na banda de valência. Isso cria um semicondutor tipo p. O Boro atua como um aceitador.
Junção Pn
Onde os materiais do tipo n e do tipo p se encontram, algo interessante acontece.
Efeito de diodo e quebra de junção
Quando o tipo de impureza dentro do único cristal muda repentinamente do tipo p (aceitadores) para o tipo n (doadores), uma junção p-n é formada. É aqui que a mágica acontece. No lado P, os buracos são os portadores de carga dominantes, os chamados portadores majoritários. Alguns elétrons gerados termicamente também permanecem lá, atuando como portadores minoritários. O lado N inverte o roteiro: os elétrons dominam, enquanto as lacunas são minoria.
A camada de esgotamento está localizada diretamente na interface. Portadores de carga gratuitos foram removidos desta região, convertendo efetivamente a junção em um isolante. É uma zona morta até que uma tensão externa faça as coisas funcionarem.
Retificação: Como a corrente flui em uma direção
A propriedade que define uma junção p-n é a retificação. Isso permite que a corrente flua facilmente em uma direção enquanto é bloqueada na outra direção. Observe a curva corrente-tensão de uma junção p-n de silício: não é linear. É teimoso.
Se você aplicar uma tensão de polarização direta – tensão positiva no lado p, negativa no lado n – a barreira entra em colapso. A maioria das transportadoras majoritárias passa correndo pelo cruzamento. Uma grande corrente flui. Simplesmente.
Viés reverso? Os opostos totais se atraem, mas neste caso se repelem. Os portadores de carga se afastam da junção e aumentam a camada de depleção. Apenas uma pequena corrente de fuga passa. É insignificante. Até que não seja.
Compreendendo a tensão de ruptura
Adicione polarização reversa e a constante de rede da corrente de fuga. Isto é, até atingir um limite crítico. A junção entra em colapso. O fluxo aumenta repentinamente.
Essa quebra de junção geralmente é inofensiva se você gerenciar a dissipação de energia. Não deixe ficar muito quente ou o diodo sobreviverá. Não é um fracasso; esse é o limite.
A tensão direta necessária para iniciar uma junção p-n é normalmente menor que um volt. Mas tensão de ruptura reversa? Isso varia muito. Em alguns dispositivos, menos de um volt. Milhares de volts para outros. A concentração de impurezas e os parâmetros do dispositivo determinam onde esta linha é traçada.
Por que isso é importante
Pode-se pensar que junções p-n são apenas física abstrata. Eles não são. Eles são a base da eletrônica moderna. Embora existam estruturas mais complexas, como transistores p-n-p e n-p-n, todas elas são baseadas no comportamento básico de uma junção p-n básica.
Sem esta válvula unidirecional, não há retificação. Não há regulamentação. Você não obtém circuitos integrados que alimentam tudo, desde o telefone até a rede elétrica. É uma estrutura simples. Fronteira nítida. Mas isso muda tudo.
Ainda estamos ultrapassando os limites de quão finas podemos tornar essas camadas, quão rápido elas podem mudar e quanta voltagem podem suportar antes de quebrar. A física não mudou, mas as aplicações estão em constante expansão. De onde virá o próximo avanço?
