Conceitos Básicos para Semicondutores

Conceitos Básicos para Semicondutores

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Conceitos Básicos para Semicondutores

Jacobus W. Swart

O modelo do elétrons livre em metais explica várias propriedades dos metais, porém falha completamente na explicação das propriedades de isolantes e de semicondutores. Isto já é esperado, tendo em vista que nos isolantes e semicondutores, os elétrons em geral não estão livres mas sim presos nas ligações covalentes entre os átomos. É por este motivo que eles apresentam baixíssima condutividade elétrica. Isto significa que necessitamos de um modelo alternativo, sendo que um modelo útil deve satisfazer aos seguintes requisitos:

• ser compreensível para que possa servir de base para a intuição sobre os problemas em estudo

• explicar as observações experimentais com razoável precisão

• ser válido em uma larga faixa de condições

O modelo de bandas de energia em sólidos é a resposta do modelo alternativo requerido, que atende aos requisitos acima. O desenvolvimento da teoria de bandas não é tarefa simples e inclui muitos conceitos novos e importantes para o aluno. A utilidade prática do modelo também pode não parecer óbvia no início. No entanto, a familiarização com ela é essencial pois, só assim sua utilidade tornar-se-á clara e simples. Sua utilização é essencial para o entendimento, projeto, fabricação, caracterização e uso de um enorme número de dispositivos eletrônicos, optoeletrônicos e sensores de todo tipo (temperatura, pressão, fluxo, pH, gases, elementos químicos, campos, radiação, etc.)

1 Modelo de Feynmann

No caso de 2 átomos de hidrogênio se aproximando, ocorre uma acoplamento entre os estados quânticos de cada átomo, resultando numa divisão em 2 novos estados, dados por E0-A e E0+A. Um efeito similar acontece ao aproximarmos N átomos de qualquer elemento. Os níveis discretos dos vários átomos, agora próximos, sofrem acoplamentos, resultando em faixas ou bandas de energias de estados permitidos, como ilustrado na Fig. 1 Cada banda formada apresenta um número muito grande de estados permitidos. Uma banda pode estar separada da próxima banda por uma faixa de energia proibida, ou seja, sem estados permitidos. A largura desta banda proibida pode variar bastante, dependendo do elemento químico constituinte do sólido, podendo inclusive ser negativo, ou seja, com a sobreposição de duas bandas consecutivas. A Fig. 2 ilustra a transformação dos estados discretos de átomos de Na em bandas de energia, com dependência da distância interatômica. Estas bandas de energia correspondem às soluções possíveis da equação de Schrödinger para diferentes distâncias entre os átomos. Observa-se dos dados da Fig. 2, que o nível 2p continua discreto mesmo para distância de 3.67Å, enquanto que os níveis de energia maior como 3s, 3p e 4s transformam-se em bandas de estados permitidos. Os átomos de Na possuem estados ocupados até o nível 3s, com 1 elétron ocupando esta orbital. Calculando-se a energia média dos elétrons para cada distância interatômica, obtém-se uma energia mínima para a distância de 3.67Å. Desta forma, esta é a distância adotada pelo sólido, por ser a situação mais estável. A figura mostra também que as bandas correspondentes aos orbitais 3s, 3p e 4s apresentam uma sobreposição na distância interatômica natural. Como temos apenas um elétron por átomo, a banda formada apresentará muitos estados desocupados. Isto é coerente com o modelo do elétron livre.

Fig. 1 Ilustração da transformação de níveis discretos de átomos isolados em bandas de energia em sólido formado pela aproximação de n átomos, resultando em n estados em cada banda.

De forma similar, aproximando-se N átomos de Si, teremos que seus orbitais da última camada ocupada, 3s e 3p, com um total de 8 estados para cada átomo, sofrerão um acoplamento. Este acoplamento resulta na formação de duas bandas com um total de 4N estados em cada banda. O número total de estados é conservado, como no caso dos átomos da molécula de H2, onde tínhamos 2 estados com energia E0-A e 2 estados com energia E0+A. A Fig. 3 ilustra a formação das duas bandas de energia, sendo que no caso do Si elas estão separadas por uma banda de energia proibida (1.12 eV). Como cada átomo de Si apresenta 4 elétrons na camada 3 (3s2 + 3p2), estes irão preferencialmente ocupar os estados da banda inferior, chamada de banda de valência, deixando a banda superior, chamada de banda de condução, preferencialmente vazia.

Fig. 2 Níveis de energias de estados quânticos de um sólido de sódio, variando-se a distância interatômica de 0 a 15 A, juntamente com as bandas ou níveis discretos de energias obtidas para 3 distâncias: 3.67 A, 10 A e .

Fig. 3 Ilustração dos níveis discretos de energia dos orbitais de átomos de Si e da formação das bandas de valência e de condução de cristal de Si.

2 Metais, Semicondutores e Isolantes

Realizando medidas de condutividade elétrica à temperatura próxima de 0 K, observa-se que alguns materiais apresentam-se como bons condutores enquanto que, outros materiais como excelentes isolantes. Até as primeiras décadas do século 20, não havia uma explicação plausível para esta observação. Obtém-se uma explicação baseada no que foi exposto no presente capítulo. Vejamos a explicação baseada no modelo desenvolvido para o cristal unidimensional. Obtivemos que cada banda de energia contém um total de 2NaL estados quânticos. Se cada átomo do cristal contribuir com um único elétron para uma dada banda, esta banda ficará preenchida até a sua metade (NaL elétrons no total), ou seja, metade dos estados da banda estarão ocupados. Como na metade da altura da banda, a derivada da relação E x k é máxima (Fig. 4 e 5), este material, com uma banda ocupada pela metade, terá alta condutividade .

Fig. 4 Curvas de relação E x k , para k > 0, como soluções válidas da equação de Schrödinger do modelo de Kronig e Penney.

Fig. 5 (a) Relação E x k da primeira banda permitida de cristal unidimensional de estados e (b) a variação da velocidade de grupo e (c) da massa efetiva com k.

Analogamente, um material em que cada átomo contribui com dois elétrons para preencher uma banda, resulta em uma banda completamente preenchida. Vimos que, a relação E x k apresenta derivada nula (Fig. 4) para os estados do topo da banda e que como conseqüência o número efetivo de elétrons de condução desta banda é nulo . Este material será então um isolante, como já foi discutido no item 7.5. Analogamente, um material com átomos com número impar de elétrons será um condutor, enquanto que materiais com átomos com número par de elétrons será um isolante.

A regra acima funciona apenas para cristais unidimensionais. Para cristais tridimensionais e reais a regra funciona apenas parcialmente, porém continua sendo válida, de forma geral, a regra que, se a última banda estiver parcialmente cheia teremos um condutor e se a banda estiver totalmente cheia teremos um isolante. Esta regra geral no entanto também pode falhar em alguns casos, quando houver sobreposição parcial de bandas consecutivas (largura da banda proibida negativa). Analisemos agora diagramas de energia simplificados de alguns materiais condutores, isolantes e semicondutores.

a) Condutores: são materiais caracterizados por sua última banda não totalmente preenchida (como Na, Al), ou ainda por apresentar sua última banda totalmente preenchida, mas com uma sobreposição com a banda seguinte (caso Mg). A Fig. 6 mostra os diagramas de banda esquemáticos dos metais Na, Mg e Al. O Na apresenta metade da banda 3s ocupada (1 elétron de cada átomo de Na). No caso de Mg, a banda 3s está totalmente preenchida, porém há uma sobreposição entre as bandas 3s e 3p, resultando numa banda maior e não totalmente preenchida. No caso do Al, a banda 3s está totalmente preenchida e a banda 3p parcialmente preenchida.

(a)(b) (c)

Fig. 6 Diagramas de bandas de energia de alguns metais: (a) Na, (b) Mg e (c) Al.

b) Isolantes: são materiais que tem sua última banda, chamada de valência, totalmente preenchida, sem sobreposição com a banda de energia seguinte e além disto, uma banda proibida de valor considerável. Uma banda proibida larga é necessária para que seja improvável um elétron da banda de valência adquirir energia e passar para a banda seguinte de condução. A Fig. 7 ilustra a diferença básica entre os diagramas de bandas de materiais condutores e isolantes.

(a)(b)

7 Fig. 7 Diagramas de banda de energia típicos: (a) de metais e (b) de isolantes c) Semicondutores: Semicondutores são um caso particular de materiais isolantes, sendo a única diferença a magnitude da banda proibida de energia do seu diagrama de bandas (Fig. 7 b). Se for menor ou até da ordem de 3 eV podemos classificá-lo como semicondutor, enquanto que se for maior que este valor o classificamos como isolante. À temperatura de 0 K, tanto o semicondutor como o próprio isolante serão ambos isolantes. Eles não poderão conduzir corrente elétrica, pois em ambos os casos, as bandas de valência encontram-se totalmente preenchidas. Aumentando-se a temperatura, acima de 0 K, de um material semicondutor, com largura da banda proibida reduzida, alguns poucos elétrons da banda de valência adquirem energia térmica da rede e poderão pular dos seus estados da banda de valência para estados vazios da banda de condução. Desta forma, passamos a uma condição em que os elétrons, tanto da banda de valência (banda não mais totalmente preenchida) como da banda de condução (apenas parcialmente preenchida), podem conduzir corrente elétrica. A condutividade será no entanto bem reduzida, tendo em vista o número reduzido de elétrons na banda de condução, bem como uma banda de valência ainda quase preenchida. Esta situação no entanto não ocorre em materiais isolantes que tenham largura da banda proibida de valor grande o suficiente, a não ser que elevemos muito a temperatura. A Tabela 7.1 apresenta alguns materiais com a largura da sua banda proibida e a sua correspondente classificação como isolante ou semicondutor.

Tabela 7.1 Exemplos de materiais com sua respectiva largura da banda proibida (EG) e classificação como isolante ou semicondutor.

MaterialEG [eV] a 300 KClassificação Ge 0.6 Semicondutor

Si 1.12 Semicondutor

GaAs 1.42 Semicondutor C (diamante) 5.47 Isolante

SiO2 9.0 Isolante Si3O4 5.0 Isolante

3 Lacunas

Lacunas referem-se a estados da banda de valência vazios, não preenchidos por elétrons. Elas são também chamadas por buracos ou holes em Inglês. Veremos que a lacuna pode ser tratada como uma partícula de carga positiva, e que esta sua característica deve-se ao comportamento estranho dos demais elétrons da banda de valência onde se encontra a lacuna. Na realidade a lacuna não existe como partícula ou como entidade isolada, mas ela é uma conseqüência do movimento de elétrons num potencial periódico. Assim, a lacuna livre não existe. Não é possível criar um canhão de lacunas como existe para elétrons. Lacunas resultam de um artifício matemático que mostraremos a seguir.

Define-se a massa efetiva pela seguinte relação:

Temos pela substituição correspondente do termo de massa efetiva

onde a somatória representa a somatória do inverso das massas efetivas correspondentes a todos os estados ocupados. Baseado nesta relação, analisemos os seguintes casos:

a) supondo uma banda que tenha um único estado ocupado. Neste caso teremos:

b) supondo agora o caso de uma banda totalmente cheia, teremos que a corrente deve ser nula:

i imqdt c) tendo uma banda totalmente cheia com exceção de um único estado no topo da banda, ou seja, caso de uma banda com uma única lacuna. Neste caso teremos:

jii ih mqdt mas temos da relação 4 que:

Das relações 5 e 6 resulta que:

Devemos lembrar da Fig. 4 que, na parte inferior da banda os estados apresentam massa efetiva positiva, enquanto que os estados da metade superior da banda apresentam massa efetiva negativa. As lacunas correspondem normalmente a estados desocupados na parte superior da banda (minimização da energia dos elétrons) e portanto apresentam massa efetiva negativa. Assim podemos considerar o módulo da massa efetiva da lacuna e inverter o sinal da relação 7, resultando:

2 1jh mq dt

A troca do sinal da massa e da expressão da corrente equivale a tratar a lacuna como sendo uma partícula de massa efetiva e carga q, de sinais positivos.

Pelo exposto acima, podemos concluir que a condução através dos elétrons, de uma banda de valência quase cheia de um cristal, é equivalente à condução através de partículas fictícias, correspondendo aos estados desocupados e de massa efetiva negativa, chamadas lacunas, as quais se comportam como se fossem partículas de carga e massa de sinais positivos. Uma analogia à corrente elétrica por lacunas é o caso de uma bolha caminhando na água. A bolha é uma ausência de água, sendo que seu deslocamento corresponde na verdade ao movimento de água em sentido oposto. Embora seja a lacuna uma partícula fictícia que não existe na realidade, um engenheiro pode adotá-la como sendo uma partícula real para efeitos práticos, de uso na análise de dispositivos.

Lembremos que um semicondutor a uma temperatura superior a 0 K, apresenta um certo número de elétrons na banda de condução, criados concomitantemente com os estados vazios ou lacunas na banda de valência. Desta forma, o semicondutor terá uma corrente elétrica, se for aplicado um campo elétrico, dada pela soma da condução dos elétrons na banda de condução e das lacunas na banda de valência. Por este motivo chamaremos daqui para frente os elétrons e as lacunas de portadores. Isto significa que temos 2 tipos de portadores, elétrons na banda de condução, com carga -q e lacunas na banda de valência, com carga +q. A massa efetiva de cada portador depende da particular curvatura da relação E x k, do respectivo diagrama de banda. Assim, a massa efetiva pode diferir para elétron e lacuna e para materiais diferentes, como veremos no item seguinte.

4 Diagramas de Bandas de Semicondutores Reais

Até este ponto do capítulo, desenvolvemos nosso modelo considerando um cristal hipotético unidimensional. Isto foi motivado pela maior facilidade do tratamento matemático e por ser suficiente para a apresentação dos conceitos importantes introduzidos. No caso de um cristal real tridimensional, os cálculos são bem mais complexos e a sua apresentação está fora do escopo deste texto. Mas de forma geral todos os conceitos discutidos nos itens anteriores são similares e válidos para os cristais reais. A Fig. 8 apresenta diagramas de bandas reais correspondentes a 3 cristais semicondutores de interesse prático. As curvas representam os estados permitidos determinados pela solução da equação de Schrödinger independente do tempo, tendo como potencial eletrostático o potencial periódico do cristal (no caso da soluções da Fig. 8, em 2 direções). Nos gráficos considerou-se como energia de referência a energia do topo das bandas de valência dos materiais. As curvas obtidas apresentam detalhes e valores que foram confirmados por diferentes medidas elétricas, magnéticas e ópticas, realizadas por diversos grupos de pesquisa e reportados na literatura científica internacional.

(a) Ge(b) Si (c) GaAs

Fig. 8 Estruturas de diagramas de bandas reais de semicondutores comuns, (a) Ge,

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