Física dos dispositivos Física dos dispositivos semicondutoressemicondutores

TEM Mecánica QuânticaTermodinâmica

Estado SólidoFísica dos

Semicondutores

Física dos Dispositivos Semicondutores

Eletrônica

INFORMÁTICA

Ciência dos materiais

Microeletrônica Software

Plano do cursoPlano do curso1. Fundamentos da teoria de semicondutores, 1. Fundamentos da teoria de semicondutores,

1.1. Faixas de energia no cristal semicondutor; 1.1. Faixas de energia no cristal semicondutor; 1.2. Estatística de portadores em equilíbrio; 1.2. Estatística de portadores em equilíbrio; 1.3. Processos de geração e recombinação de portadores; 1.3. Processos de geração e recombinação de portadores; 1.4. Transporte de portadores; 1.4. Transporte de portadores;

2. Dispositivos bipolares,2. Dispositivos bipolares, 2.1. Junção p-n; 2.1. Junção p-n; 2.2. Contato metal-semicondutor; 2.2. Contato metal-semicondutor; 2.3. Diodos; 2.3. Diodos;

2.4. Transistor bipolar2.4. Transistor bipolar 3. Dispositivos MOS 3. Dispositivos MOS

3.1. Capacitor MOS3.1. Capacitor MOS 3.2. Transistor MOS3.2. Transistor MOS 3.3. Tecnologia CMOS3.3. Tecnologia CMOS4. Optoeletrônica,4. Optoeletrônica,

4.1. Fotodetectores e detectores de partículas; 4.1. Fotodetectores e detectores de partículas; 4.2. Células solares; 4.2. Células solares; 4.3. LED 4.3. LED

5 Semicondutores compostos,5 Semicondutores compostos, 5.1. Heterojunções; 5.1. Heterojunções; 5.2. Lasers de semicondutores; 5.2. Lasers de semicondutores; 5.3. Dispositivos exóticos. 5.3. Dispositivos exóticos.

Evolução Histórica da Eletrônica 1833 Faraday descobre que a resistividade do AgCl decresce com a temperatura 1873 W. Smith descobre que a condutividade do Se é afetada pela iluminação 1874 Ferdinand Braum descobre efeito retificador do PbS, criando o primeiro

diodo metal-semicondutor 1904 Invenção do diodo a vácuo por Fleming 1906 Início da era da eletrônica - Lee de Forest inventa o triodo a vácuo 1948 Invenção do transistor por Bardeen, Brattain e SchockleyInvenção do transistor por Bardeen, Brattain e Schockley 1959 Fairchild Semiconductor introduz o processo planar 1959 Invenção do circuito integrado por Jack Kilby na Texas Instruments 1971 Microprocessador 8008, de 8 bits1948 1976 8086 1979 8088, 3 , 8 MHz, 29 mil 1982 80286, 1,5 , 12 MHz, 134 mil 1985 80386, 1,0 , 33 MHz, 275 mil 1991 80486, 0,6 , 100 MHz, 1600 mil 1995 Pentium, 0,35 , 200 MHz, 3300 mil … … … … … 2002 P-IV 0,13 , 2,8 GHz 60.000 mil 2005 Dual Core 0,09 , 4,8 GHz 172.000 mil

Propriedades Básicas dos Propriedades Básicas dos SemicondutoresSemicondutores

I.1 Condução elétricaI.1 Condução elétrica

Metais:

resitividades elétricas bastante baixas ( 10-4 - 10-6 .cm) um único tipo de portador (elétrons de valência) a concentração de portadores não depende da temperatura a resitividade cresce com a o aumento da temperatura o comportamento elétrico pode ser explicado pela física

clássica

Isolantes:

não possui portadores livres resitividade muitíssimo alta

Semicondutores:

resistividade muito maior que a dos metais e muito menor que a dos isolantes (10 7 < < 10 -3 .cm)

possui dois tipos de portadores (elétrons e lacunas) a resistividade diminui com o aumento da temperatura a concentração de portadores pode ser variada com a temperatura,

iluminação, pressão, diluição de dopantes, etc. comportamento elétrico não pode ser explicado pela física clássica

I.2 Materiais Semicondutores

semicondutor largura da banda

proibida (eV)

Coluna IV Si 1,10

Ge 0,68

SiC 2,4 (3C-SiC) , 3,35 (2H-SiC)

SixGe1-x

Si1-y-xGexCy

Colunas III e V AlSb 1,5

GaN 3,42

GaAs 1,4

GaSb 0,67

InP 1,25

InAs 0,33

InSb 0,18

AlxGa1-xAs

GaAsxP1-x

GaxIn1-xPyAs1-y

Colunas IV e VI PbS

PbSe 0,40

PbTe 0,31

Colunas II e VI ZnSe 2,1

ZnO 3,2

TeCd 4,3

HgCdTe

I.3 Estrutura dos materiais semicondutores:

amorfos (sem regularidade de médio e longo alcance, ordenação dos primeiros vizinhos)

monocristalinos (regularidade completa) policristalinos (regularidade em pequenos volumes)

Na microeletrônica usam-se os semicondutores monocristalinos (substrators) e policristalinos (portas e interconexões). Os semicondutores amorfos (Si) são usados em conversão fotovoltáica.

Célula Unitária:

É o menor volume que por deslocamento nas três dimensões reproduz o sólido monocristalino.

Bravais demonstrou que só podem existir 14 tipos de células unitárias distribuídas em 7 grupos.

MonocristaisMonocristais

The simple cubic (a), the body-centered cubic (b) and the face centered cubic (c) lattice.

A Unit Cell

The zinc-blende crystal structure of GaAs and InP

The diamond lattice of silicon and germanium

1.4 Índices de Miller1.4 Índices de Miller

Uma forma conveniente de especificar planos cristalográficos e Uma forma conveniente de especificar planos cristalográficos e direções em uma rede cristalina é proporcionada pelo emprego dos direções em uma rede cristalina é proporcionada pelo emprego dos índices de Miller. Para uma rede cúbica os indices (índices de Miller. Para uma rede cúbica os indices (h k lh k l) definem um ) definem um plano da rede.plano da rede.

Método para determinar os índices :Método para determinar os índices : - achar as intersecções do plano com os 3 eixos e normalizar em - achar as intersecções do plano com os 3 eixos e normalizar em

termos do parâmetro de rede termos do parâmetro de rede a a ; ; - achar os recíprocos dessas intersecções; - usando multiplicador conveniente obter conjunto de menores

inteiros.

Convenção Interpretação

(hkl) plano cristalino

{hkl} planos equivalentes

[hkl] direção cristalina

<hkl> direções equivalentes

(hkli) plano no sistema hexagonal

[hkli] direção cristalina no sistema hexagonal

Tecnologias principais de silícioTecnologias principais de silício

Processos de fabricação de dispositivos na Processos de fabricação de dispositivos na tecnologia planar do silíciotecnologia planar do silício

0. Crescimento epitaxial0. Crescimento epitaxial 1. Difusão1. Difusão 2. Oxidação térmica2. Oxidação térmica 3. Implantação iônica3. Implantação iônica 4. Recozimento4. Recozimento 5. Foto litografia5. Foto litografia 6. Deposição de filmes6. Deposição de filmes 7. Ataques úmidos e por plasma, limpezas7. Ataques úmidos e por plasma, limpezas

NMOS

CMOS

bipolar

bipolar

Formula de EinsteinFormula de Einstein

D = (kT/q).D = (kT/q).

D – D – coeficiente de difusão coeficiente de difusão [cm[cm22/s]/s]kT/q = VkT/q = Vthth – – thermal voltage thermal voltage [V][V]

- - mobilitymobility [cm [cm22/(V.s)]/(V.s)]

Movimento das partículasMovimento das partículas

Deriva das partículasDeriva das partículas Difusão das partículasDifusão das partículas Distribuição de Distribuição de Maxwell–Boltzmann Maxwell–Boltzmann

Corrente de deriva – Corrente de deriva – Drift currentDrift current

J = e(nµn + pµp)E

Mobilidade - Mobilidade - MobilityMobility Lattice scatteringLattice scattering

Impurity scatteringImpurity scattering

Surface scatteringSurface scattering

Resistividade - Resistividade - ResistivityResistivity

Resistência de folha – Sheet Resistance

Corrente de difusão – Corrente de difusão – Diffusion currentDiffusion current

Fick's laws of diffusionFick's laws of diffusion 3D

1D

Maxwell–Boltzmann distribution