Fsica dos materiais e dispositivos semicondutores Germano Maioli

Física dos materiais e dispositivos semicondutores Germano Maioli Penello gpenello@if. ufrj. br https: //www. if. ufrj. br/~gpenello/FMDS_2019 -2. html 1

O que voces consideram uma prova sem erros? • Erros de português é erros? • Acentuacao • Conjugação, verbal • Virgula • Unidade errada? • Cálculo errado? • Explicação incompleta é considerado erro? Semicondutor é um material que apresenta um gap na sua estrutura de banda. • Este slide contém erros? 2

O que vocês consideram uma prova sem erros? • Erros de português são erros? • Acentuação • Conjugação, verbal • Vírgula • Unidade errada? • Cálculo errado? • Explicação incompleta é considerado erro? • Semicondutor é um material que apresenta um gap na sua estrutura de banda e se diferencia de um isolante por ter um gap da ordem de Este slide contém erros? 1 e. V. 3

Homojunção vs. heterojunção Na fabricação do diodo utilizamos dois materiais semicondutores feitos de Silício (um do tipo n e outro do tipo p) para fazer uma junção – Homojunção E se usarmos dois materiais semicondutores diferentes para fazer uma junção? 4

Heterojunções E se usarmos dois materiais semicondutores diferentes para fazer uma junção? -Gaps, dopagens, funções trabalho diferentes tipo p – nível de Fermi próximo da banda de valência tipo n – nível de Fermi próximo da banda de condução maior gap menor gap tipo p http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html tipo n 5

Heterojunções E se usarmos dois materiais semicondutores diferentes para fazer uma junção? -Gaps, dopagens, funções trabalho diferentes Evácuo Em um metal, os elétrons com maior energia estão no nível de Fermi. Existem elétrons no nível de Fermi de um semicondutor? EF EF maior função trabalho http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html menor função trabalho 6

Heterojunções E se usarmos dois materiais semicondutores diferentes para fazer uma junção? -Gaps, dopagens, funções trabalho diferentes Por não haver elétrons no nível de Fermi em um semicondutor: Evácuo Afinidade eletrônica Evácuo EF EF menor afinidade eletrônica http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html maior afinidade eletrônica Note que a energia do elétron no vácuo é igual para os dois materiais quando eles estão separados. Os níveis de Fermi têm valores diferentes. O que acontece quando formamos a junção? 7

Heterojunções Formação da junção Regra de Anderson: Após a junção formada: O nível de energia do vácuo deve estar alinhado para começar a análise. Nivelamento do nível de Fermi nos dois lados da junção https: //en. wikipedia. org/wiki/Heterojunction https: //en. wikipedia. org/wiki/Anderson's_rule http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html 8

Heterojunções Formação da junção Gap de energia, afinidade eletrônica, função trabalho não mudam de valor (as diferenças de energia continuam as mesmas) Nivelamento do nível de Fermi nos dois lados da junção Aparecimento de descontinuidades na estrutura de banda Além das descontinuidades, numa heterojunção existe também a barreira de potencial V 0 (formação da junção p-n). http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html Numa heterojunção as descontinuidades dependem das propriedades dos materiais. 9

Heterojunções Controle ainda mais refinado do potencial na banda de condução: • Fabricação de dispositivos ainda mais inovadores com maiores possibilidades no controle eletrônico (engenharia de bandas – bandgap engineering) Poços quânticos Pontos quânticos Super-redes Laser de cascata quântica (QCL) Detector de cascata quântica (QCD) Detector de espelho de Bragg quântico (QBMD) http: //wwwcourses. sens. buffalo. edu/ee 340/applets/heterojunction 2/heter. html 10

Heteroestrutura - Poços quânticos Crescimento epitaxial Como fabricar um poço de potencial? Banda de condução Banda de valência z z EG E’G EG E * Fora de escala z ~ nm x, y ~ cm 11

Heteroestrutura - Poços quânticos E Banda de condução Banda de valência z Banda de condução Banda de valência Banda de condução E 2 E 1 H 2 E z Absorção intrabanda Absorção interbanda Absorção intrabanda Banda de valência (Slide com animação) 12

Heteroestrutura – Fotodetector de poços quânticos E Dois materiais com diferentes gaps Conduction band E 2 Intraband absorption E 1 Interband absorption H 1 Intraband absorption H 2 Confinamento eletrônico em uma dimensão Controlando a espessura podese sintonizar transições ópticas Valence band Type I heterostructure z 13

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Tipo n Materiais separados https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 14

Heterojunções – metal/semicondutor Tipo n Caso 1: Regra de Anderson Materiais separados https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 Junção sem ainda ter ocorrido o nivelamento dos níveis de Fermi (apenas para visualização) 15

Heterojunções – metal/semicondutor Tipo n Caso 1: Regra de Anderson Materiais separados Junção sem ainda ter ocorrido o nivelamento dos níveis de Fermi (apenas para visualização) https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 16

Heterojunções – metal/semicondutor Tipo n Caso 1: Regra de Anderson Materiais separados Junção sem ainda ter ocorrido o nivelamento dos níveis de Fermi (apenas para visualização) Potencial de contato (V 0) https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 (energia para retirar o elétron do semicondutor e reinseri-lo no metal – veremos melhor no próx. slide) 17

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Diagrama de bandas da junção após ter ocorrido o nivelamento dos níveis de Fermi (energia para retirar o elétron do metal e reinseri-lo no semicondutor) Potencial de contato (V 0) (energia para retirar o elétron do semicondutor e reinseri-lo no metal) Potencial de contato pode ser alterado com aplicação de campo elétrico. Comportamento na polarização direta ou reversa similar a uma junção p-n. Diferença que agora estamos falando dos portadores majoritários. https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 18

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Diagrama de bandas da junção após ter ocorrido o nivelamento dos níveis de Fermi (energia para retirar o elétron do metal e reinseri-lo no semicondutor) Potencial de contato (V 0) (energia para retirar o elétron do semicondutor e reinseri-lo no metal) Polarização direta Barreira do semicondutor para o metal diminui. Polarização reversa Barreira do semicondutor para o metal aumenta. https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 19

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Polarização direta Barreira do semicondutor para o metal diminui. https: //www. google. com/url? sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=2 ah. UKEwj. R 1 Yv. Djc. Xl. Ah. USGbk. GHb. Z 5 Cxc. QFj. ABeg. QICx. AE&url=http %3 A%2 F%2 Fhank. uoregon. edu%2 Fexperiments%2 FSchottky-junction-dynamics%2 Fbk 7 ch 07. pdf&usg=AOv. Vaw 0 BUgu_1 Bes. Wqy. Pez. O 8 y. Qmx 20

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Polarização direta Barreira do semicondutor para o metal diminui. Polarização reversa Barreira do semicondutor para o metal aumenta. https: //www. google. com/url? sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=2 ah. UKEwj. R 1 Yv. Djc. Xl. Ah. USGbk. GHb. Z 5 Cxc. QFj. ABeg. QICx. AE&url=http %3 A%2 F%2 Fhank. uoregon. edu%2 Fexperiments%2 FSchottky-junction-dynamics%2 Fbk 7 ch 07. pdf&usg=AOv. Vaw 0 BUgu_1 Bes. Wqy. Pez. O 8 y. Qmx 21

Heterojunções – metal/semicondutor Caso 1: Polarização direta Barreira do semicondutor para o metal diminui. Polarização reversa Barreira do semicondutor para o metal aumenta. Acabamos de fazer mais um dispositivo: Diodo Schottky https: //www. google. com/url? sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=2 ah. UKEwj. R 1 Yv. Djc. Xl. Ah. USGbk. GHb. Z 5 Cxc. QFj. ABeg. QICx. AE&url=http %3 A%2 F%2 Fhank. uoregon. edu%2 Fexperiments%2 FSchottky-junction-dynamics%2 Fbk 7 ch 07. pdf&usg=AOv. Vaw 0 BUgu_1 Bes. Wqy. Pez. O 8 y. Qmx 22

Heterojunções – metal/semicondutor Barreira de potencial (M S): Caso 2: Potencial de contato (S M): Materiais separados (antes da junção) https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 23

Heterojunções – metal/semicondutor Barreira de potencial (M S): Caso 2: Potencial de contato (S M): https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 24

Heterojunções – metal/semicondutor 25

Heterojunções – metal/semicondutor https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 26

Heterojunções – metal/semicondutor https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 27

Heterojunções – metal/semicondutor Na situação ao lado temos uma junção metal semicondutor tipo p. O contato feito por esta junção é um contato ôhmico? (a) Sim. (b) Não. (c) Não tenho como afirmar apenas com este desenho. https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 28

Heterojunções – metal/semicondutor Na situação ao lado temos uma junção metal semicondutor tipo p. O contato feito por esta junção é um contato ôhmico? (a) Sim. (b) Não. (c) Não tenho como afirmar apenas com este desenho. Este é o exemplo de uma junção metal-semicondutor que faz um diodo Schottky do tipo p. https: //ecee. colorado. edu/~bart/book/chapter 3/ch 3_2. htm#fig 3_2_3 29

Tipos de dispositivos de apenas uma junção e algumas aplicações • Diodos de junção • Diodo Schottky • Diodo Zener • Diodo túnel • Diodo IMPATT • Diodo Laser • Diodo emissor de luz (LED) • Fotodiodo • Célula solar • Retificação • Chaveamento rápido • Regulador de tensão • Circuitos osciladores • Circuitos de microondas • Emissão de luz laser • Emissão de luz • Detecção de luz • Geração de energia 30

Tipos de dispositivos de apenas uma junção e algumas aplicações + cenas dos próximos capítulos (transistores, LEDs, células solares) http: //educypedia. karadimov. info/library/Semiconductors. swf 31