Aula 07 - Noções Básicas de Semicondutores

Materiais semicondutores, tais como silício (Si), germânio (Ge) e de arseneto de gálio (GaAs), têm  propriedades elétricas intermediárias entre as de um "condutor" e um "isolador". Seus átomos estão  agrupados em um padrão cristalino. Sua capacidade de conduzir eletricidade pode ser melhorada pela adição de certas "impurezas" a esta estrutura cristalina produzindo mais elétrons livres.

Ao controlar a quantidade de impurezas adicionadas ao material semicondutor, é possível controlar a sua condutividade. Estas impurezas são chamados de doadores ou aceitadores dependendo se eles produzem elétrons ou lacunas. Este processo de adição de átomos de átomos de impureza de semicondutores é chamado de dopagem. O material semicondutor básico mais comumente usado é o silício. O silício tem quatro elétrons de valência em sua camada mais externa que compartilha com seus átomos de silício vizinhos para formar a orbital de oito elétrons. A estrutura da ligação entre os dois átomos de silício é tal que cada átomo compartilha um elétron com o seu vizinho fazendo a ligação muito estável.

Os átomos de silício estão dispostos segundo um padrão definido simétrico tornando-as uma estrutura cristalina sólida. Um cristal de sílicio puro (dióxido de silício) é geralmente considerado um cristal e não tem electrões livres.

Semicondutor Básico Tipo N

Para que o cristal de silício conduzir eletricidade, precisamos introduzir um átomo de impureza, como antimônio, arsênio ou fósforo na estrutura cristalina. Estes átomos têm cinco elétrons externos em sua órbita mais externa para compartilhar com os átomos vizinhos e são chamados de impurezas "pentavalente".

Isso permite deixar um "elétron livre" para se tornar móvel quando uma tensão elétrica é aplicada (fluxo de elétrons).

Antimónio (Sb) ou fósforo (P), são frequentemente utilizados como impurezas pentavalente para o silício , o resultado é o material de semicondutor com excesso de elétrons, com uma carga negativa, e por isso é referido como semicondutor do "tipo-N" . O diagrama mostra a estrutura do Antimônio como átomo doador impureza.

Semicondutor Básico Tipo P

Se introduzir uma impureza "trivalente" (3-elétrons) na estrutura cristalina do silício, como alumínio, boro ou índio, que tem apenas três elétrons de valência disponível em sua órbita mais externa, uma ligação completa com os quatro átomos de silício não ocorrerá,  o material semicondutor terá uma abundância de portadores de carga positiva, conhecidos como "buracos" na estrutura do cristal quando falta os elétrons.

Uma vez que existe um buraco no cristal de silício, um elétron vizinho é atraído para ele e tentará mover para dentro do buraco para a encher. No entanto, o elétron enchendo o buraco deixa outro buraco por trás dele quando se move. Este por sua vez, atrai outro elétron que por sua vez cria um outro buraco por trás dele, e assim por diante, dando a aparência de que os buracos estão se movendo como uma carga positiva através da estrutura cristalina (fluxo de corrente convencional). Este movimento de orifícios resulta numa falta de elétrons no cristal de silício dopado, tornado-se um pólo positivo. Como cada átomo de impureza gera um buraco, as impurezas trivalentes são geralmente conhecidas como "aceitantes", por continuamente "aceitar" os elétrons livres.

Boro (símbolo B) é comumente usado como um aditivo trivalente, pois tem na orbital mais externa apenas três elétrons. A dopagem de átomos de boro provoca a condução de portadores de carga positiva, resultando em um cristal "tipo-P" material com os orifícios positivos sendo chamados "Lacunas", um semicondutor do tipo P tem mais buracos do que elétrons. O diagrama mostra a estrutura cristalina de silício com átomo de Boro.

Processo de fabricação de diodos

Os diodos atualmente são fabricados utilizando-se técnicas desenvolvidas para a fabricação de dispositivos semicondutores, como os transistores e circuitos integrados. 

No fluxograma de fabricação de diodo empregando tecnologia planar. Empregam-se etapas de deposição de polímeros, reação química no estado gasoso e no estado sólido, utilizando-se fornos de crescimento de cristal onde ocorre a deposição e difusão de dopante em cristal semicondutor e de reação química por vapor (CVD). Um desses equipamentos é Forno de crescimento epitaxial. O aspecto real de um diodo está apresentado na figura, onde se observa a estrutura de camadas crescidas, depositadas e difundidas, para a fabricação da junção PN e das conexões elétricas externas.

A indústria moderna de semicondutores utiliza como matéria prima, em sua maioria, o "Wafer" ou disco de silício, que varia de 75mm a 150mm de diâmetro e menos de 1mm de espessura (usualmente 200μm). Os wafers são cortados a partir de tarugos de cristal de silício, retirados de um cadinho com silício policristalino puro. Este processo, como mostrado na Figura 1.1, é conhecido como método de "Czochralsky", que é o método mais popular de produção de cristal de silício. Quantidades controladas de impurezas são adicionadas ao silício líquido para se obter o cristal com as propriedades elétricas desejadas. A orientação cristalina é determinada por uma semente de cristal que é mergulhada no silício líquido para iniciar o crescimento do tarugo. O silício fundido é mantido em um cadinho de quartzo envolvido por um radiador de grafite. O grafite é aquecido por indução de radiofreqüência, e a temperatura é mantida em alguns graus acima da temperatura de fusão do silício (≈1425 o C), tipicamente em uma atmosfera de Hélio ou Argônio. 

 Após a semente ter sido introduzida no silício líquido, ela é puxada gradualmente no sentido vertical e ao mesmo tempo em que é rotacionada. O silício policristalino fundido derrete a ponta da semente e, à medida que a semente é puxada derrete a ponta da semente e, à medida que a semente é puxada ocorre o resfriamento (solidificação). Quando o silício líquido, em contato com a semente, esfria, e assume a forma a orientação cristalina da semente. O diâmetro do tarugo é determinado pelas taxas de 

velocidade de tracionamento e de rotação. A formação do tarugo varia de 30 a 180mm/hora. 

 O corte em fatias do tarugo é usualmente feito por meio de serras com diamantes nos dentes girando em alta rotação. Os wafers obtidos têm usualmente entre 0,25mm e 1mm de espessura, dependendo de seu diâmetro. Finalmente, os discos são polidos em uma de suas faces até se obter um acabamento espelhado e sem imperfeições.
© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/04/2019