Imagem 1 - Wafer de Silício com vários chips
O assunto desse artigo é o semicondutor, uma classe de materiais amplamente utilizado na construção de transistores, diodos e nos microchips do aparelho que você está usando para ver este artigo.
OBSERVAÇÃO: Para compreender este texto, é necessário ter um prévio conhecimento sobre o gap direto ou indireto existente entre a banda de valência e a banda de condução, que determina a capacidade condutiva de elementos químicos e materiais. Caso não faça ideia do que seja isto, CLIQUE AQUI!
Primeiramente, você tem que saber que os semicondutores não existem na natureza, isto é, foram criados pelo Ser Humano a partir de elementos químicos da nossa querida Tabela Periódica. Mas quais são estes elementos?
Antigamente, o elemento químico utilizado na criação de semicondutores era o Germânio, porém, o Silício, que possui algumas vantagens sobre ele acabou tomando seu lugar, ocupando este posto até os dias atuais. No entanto, existem diversos outros materiais utilizados para a criação de semicondutores, que não são muito mencionados por aí, mas que também serão abordados neste artigo.
Atualmente, os estudos se voltam ao elemento químico Carbono, provável substituto do Silício nos chips num futuro não tão distante.
Vamos ver agora um pouco sobre o Germânio e o Silício, os mais famosos semicondutores da eletrônica.
Germânio
O Germânio possui o símbolo "Ge" e ocupa a terceira posição do grupo 14 na tabela periódica, o mesmo grupo do Silício. Leva o número atômico 32 e massa atômica próxima de 72,6 UMA (Unidade de Massa Atômica).
Este elemento é sólido, duro, quebradiço, de brilho intenso e coloração branco-acinzentada. O Germânio não é encontrado puro no ambiente, e sim como componente de outros minérios. Um exemplo desses minérios é a Germanita.
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O Germânio tem uma estrutura cristalina parecida com a do diamante quando encontrado em estado natural. Quando puro, é um ótimo condutor de calor e seus valores de ponto de fusão e ebulição são 938 °C e 2832 °C.
Para obte-lo é utilizado o processo de extração via fusão fracionada, pois é bastante eficiente e muito utilizado quando o este elemento químico é aplicado na fabricação de semicondutores.
Também é utilizado o processo de remoção via composto de cloreto (GeCl4) que, na sequência é transformado em Dióxido de Germânio (GeO2) via hidrólise e por fim, é adicionado Hidrogênio ou carvão, para torna-lo então puro.
Os minérios em que se encontra grandes quantidades de Germânio são a Germanita (7CuS.FeS.GeS2), a Argirodita (4Ag2S.GeS2) e a Ranierita ((Cu,Ge, Fe, Zn, As)S). Também é encontrado (cerca de 0,3%) no carvão mineral.
Imagem 3 - Representação de um átomo de Germânio. Perceba que ele tem 4 elétrons na última camada (camada de valência)
Silício
O Silício possui o símbolo "Si" e ocupa a terceira posição do grupo 14 na tabela periódica, o mesmo grupo do Germânio. Leva o número atômico 14 e massa atômica próxima de 28,0 UMA (Unidade de Massa Atômica).
Este elemento é sólido, duro, possui um brilho metálico, cor cinza e está presente na areia, rochas, barro, solo e também pode ser encontrado nas águas naturais, em plantas, na atmosfera, entre outros lugares.
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O Silício é o segundo elemento químico mais abundante do planeta (27,7%), ficando atrás do Oxigênio. O Silício nunca é encontrado na forma pura, e sim como componente de outros minérios. O ponto de fusão deste elemento químico é de 3.365 °C.
CURIOSIDADE: Quando combinado com Oxigênio e outros elementos, formam-se silicatos, como por exemplo o quartzo e a mica, além de vários outros minerais encontrados na natureza. Para saber mais sobre silicas e alguns outros tipos de minerais utilizados na fabricação de cerâmicas e vidros, comece CLICANDO AQUI!
Para se obter Silício ultra puro para a fabricação de semicondutores é feita a decomposição do silano (SiH4) ou de tetrahaletos de Silício sob altas temperaturas.
Uma das vantagens do Silício sobre o Germânio é que o primeiro é mais abundante na natureza e sua extração é mais fácil e barata.
Imagem 5 - Representação de um átomo de Silício. Perceba que ele possui 4 elétrons na última camada(camada de valência).
Isto é apenas o básico para iniciar os estudos. Abaixo, a parte da Tabela Periódica onde se encontram estes dois materiais. Note que outros também estão circulados como exemplo (Índio, Carbono e Gálio), todavia, muitos outros são utilizados com base para criação de semicondutores:
Tabela 1 - Os elementos que servem de base para criação de semicondutores
CURIOSIDADE: Um exemplo nada comum de semicondutor é o AlP, sigla para Fosfeto de Alumínio (Alumínio dopado com Fósforo). Apresenta-se geralmente como um pó cinzento amarelado ou esverdeado devido à hidrólise e oxidação. É um semicondutor de amplo gap de energia, sendo utilizado também como desinfetante e no controle de vida, com sua principal aplicação na área agrícola para matar insetos e fungos, comercializado sob vários nomes comerciais, entre eles o famoso "Gastoxin".
Aqui será explicado o funcionamento dos semicondutores a base de Silício e Germânio, mas a ideia é a mesma para todos os outros semicondutores.
Um componente semicondutor pode funcionar como um condutor ou como um isolante, dependendo da tensão aplicada em seus terminais.
Os materiais semicondutores são feitos em laboratório a partir de estruturas cristalinas de Silício ou de Germânio puras que são dopadas com impurezas, ou seja, outros elementos químicos. Tanto o átomo de Silício, quanto o de Germânio possuem 4 elétrons na camada de valência, fazendo com que eles criem até 4 ligações covalentes, ou seja, o átomo precisará se juntar com mais 4 elétrons para ficar estável. Essa é uma característica de metais que possuem 4 elétrons na camada de valência.
Material do tipo N
Partindo desta ideia, se numa cadeia de átomos de Silício ou de Germânio substituirmos alguns átomos por elementos químicos que tem 5 elétrons livres na última camada, como por exemplo o Bismuto, o Fósforo, o Arsênio e o Antimônio, teremos um elétron sobrando para cada impureza inserida na estrutura cristalina.
Imagem 6 - Material N formado por Silício (Si) e Antimônio (Sb)
O material gerado com a adição destas impurezas se chama "N" e os elétrons que ficam sobrando nessa estrutura cristalina podem ser chamados de impurezas doadoras ou impurezas negativas. Ele funciona como o polo Negativo, já que possui excesso de elétrons.
Material do tipo P
O polo positivo é baseado nesta mesma ideia de dopagem, só que nas cadeias de átomos são inseridas impurezas com três elétrons livres na última camada. Os elementos químicos utilizados para a dopagem podem ser Índio, o Gálio ou o Boro, por exemplo.
Imagem 7 - Material P formado por Silício (Si) e Boro (B)
Desta forma, faltam elétrons nas cadeias cristalinas, formando o material "P", e as lacunas (espaços vazios) que precisam de elétrons para manter a estabilidade química podem ser chamadas de impurezas receptoras, impurezas aceitadoras ou portadoras positivas.
Num componente semicondutor, como por exemplo o diodo, é "colado" um pedaço do material do tipo N num pedaço de material do tipo P. O local onde esses dois materiais estão em contato é chamado de junção.
Diagrama 1 - Em amarelo o material do tipo N (negativo) e em vermelho o material do tipo P (positivo).
É próximo dessa área que os elétrons livres do polo negativo e as lacunas do polo positivo tendem a se atrair, fazendo com que nessa área de junção os elétrons livres do polo negativo preencham os espaços livres do polo positivo, e assim eles entram em equilíbrio.
Diagrama 2 - Em cor laranjada a barreira de potencial (onde os elétrons já estão em equilíbrio).
Os elétrons que estão mais longe da área de junção não conseguem se atrair e entrar em equilíbrio, pois a barreira de potencial já está feita. Este efeito é chamado de "barreira de potencial", "barreira de junção" ou "zona de depleção".
A única forma de fazer com que a barreira acabe é aplicar uma diferença de potencial para que esta zona de depleção seja vencida e a corrente elétrica vinda da fonte de alimentação possa repelir o excesso de elétrons do polo negativo (material do tipo N), fazendo com que eles circulem para o polo positivo (material do tipo P).
Diagrama 3 - Perceba que depois de ligar o componente na fonte de alimentação a barreira de potencial foi dissolvida.
Para que todas as lacunas e elétrons sobrando (não só da área de junção, mas sim de todo o componente) se atraiam, é necessário que a diferença de potencial aplicada nos terminais tenha um determinado valor. No caso de um semicondutor de Silício, a diferença de potencial necessária para o componente começar a conduzir é de aproximadamente 0,7 V, e no caso do Germânio é necessário aproximadamente 0,3 Volts. Portanto, se um diodo de Silício, por exemplo, for alimentado com uma tensão de 10 Volts, o diodo irá consumir 0,7 Volts para poder conduzir o restante (9,3 V).
Outro fator que influência no funcionamento do semicondutor é a corrente elétrica. Se você leu os outros artigos desta série, já sabe que uma corrente elétrica é um fluxo ordenado de elétrons. A corrente elétrica máxima que o componente feito de semicondutor suportará depende da quantidade de elétrons sobrando no material P e faltando no material N. Caso a corrente elétrica aplicada seja maior do que a suportada pelo semicondutor do componente, ele será sobrecarregado, superaquecerá (emitindo radiação térmica devido à maior agitação do átomos), emitira luz (devido ao salto quântico que pode ocorrer de acordo com a sobrecarga) e entrará em colapso, isto é, sua estrutura será completamente danificada.
Diagrama 4 - Depois da inversão de polaridade a barreira de potencial aumenta muito impedindo a passagem de elétrons
Ao inverter a polaridade do componente no circuito, ele vai formar uma barreira à passagem de corrente elétrica, pois o material do tipo P está com falta de elétrons e o material do tipo N está com excesso deles, então a corrente elétrica chegará no polo positivo, aumentando ainda mais a barreira de potencial. Mas mesmo assim uma corrente elétrica muito pequena, chamada de corrente de fuga (e que em várias aplicações é considerada desprezível) vai passar pelo componente.
Essa corrente de fuga depende da qualidade da dopagem feita no Silício ou no Germânio e também da temperatura em que está a área de junção. A temperatura muito alta faz com que os elétrons se soltem mais facilmente das cadeias cristalinas, então quanto menor a temperatura de operação e quanto maior a qualidade do semicondutor, menor será a corrente de fuga.
Mas só existem 2 materiais?
Os materiais mais famosos são o Silício e o Germânio, todavia, a evolução da tecnologia e a necessidade de semicondutores com características específicas para determinadas aplicações fizeram com que muitos outros materiais surgissem na indústria.
Um bom exemplo são diodos que emitem luz, como LEDs e LASERs, que utilizam uma grade variedade de semicondutores, sendo que o Silício e o Germânio não são tão comuns para estes fins.
Para saber mais sobre o s LEDs e conhecer outros tipos de semicondutores, CLIQUE AQUI!
Outro componente comum feito de semicondutor é o resistor LDR! Para saber mais sobre ele e materiais utilizados em sua construção, CLIQUE AQUI!
Os Termistores também são construídos a partir de semicondutores, mais especificamente cerâmicas semicondutoras! Para saber mais, CLIQUE AQUI!
Os Varistores são componentes feitos de cerâmica semicondutora também! Para saber mais, CLIQUE AQUI!
Outro exemplo de uso de cerâmica semicondutora é nas Sondas Lambda, que fazem parte do sistema de sensoriamento, gerenciamento e controle de motores de combustão interna que utilizam como combustível a Gasolina, o Etanol, o GNV e o Diesel. Para saber mais sobre este sensor, CLIQUE AQUI!
As pastilhas Peltier também são construídas com base em semicondutores! Para saber mais, basta CLICAR AQUI!
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Aqui vai outro fator que amplia ainda mais a variedade de semicondutores existentes atualmente:
Gap - ou "Banda Proibida"
Para nós é importante lembrar que existem então duas regiões em que os elétrons podem ficar.
→ A banda de condução (BC): Os elétrons podem se movimentar pela cadeia, dando origem a uma corrente ou ionização;
→ e uma banda de valência (BV): São elétrons orbitando os átomos, presos ao núcleo do átomo.
A distância entre BC e BV é chamada de 'gap' ou “banda proibida”.
→ No Silício (intrínseco), a energia necessária ao elétron para atravessar a banda proibida é de 1,1 eV;
→ No Germânio (intrínseco), a energia necessária ao elétron para atravessar a banda proibida é de 0,67 eV.
O Germânio tem por isso, maior número de portadores de carga disponíveis que o Silício. Isto está diretamente relacionado ao fato de uma junção semicondutora de Germânio necessitar de cerca de 0,3 Volts para ser excitada, enquanto uma de Silício precisa de 0,7 Volts.
Quando adicionamos impurezas ao material, a banda proibida se altera, dotando os materiais de propriedades diferentes quanto a condução. Da mesma forma, ligas de dois materiais também têm propriedades diferentes.
Sabemos que a adição de impurezas muda os níveis de energia e, portanto, a forma como os elétrons podem se movimentar, dando origem aos materiais extrínsecos do tipo N e P, de vital importância para os dispositivos eletrônicos.
OBSERVAÇÃO: Você entenderá melhor o termo "semicondutor extrínseco" e "semicondutor intrínseco" lendo este texto até o final.
O fato é que, a presença de materiais doadores e receptores de elétrons nos semicondutores faz com que a banda proibida se altere.
Atualmente, outros materiais estão ganhando espaço, possibilitando o aparecimento de novas gerações de componentes semicondutores, como é o caso do:
→ SiC (Carbeto de Silício), que necessita de 3,26 eV para atravessar a banda proibida;
→ GaN (Nitreto de Gálio), que necessita de 3,39 eV;
→ ZnO (Óxido de Zinco), que necessita de 3,4 eV.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre Carbetos - em especial o de Silício -, CLIQUE AQUI!
Eles permitem a elaboração de componentes de potência muito menores e mais eficientes do que os equivalentes anteriores.
Esses componentes são denominados de Banda Proibida Larga (ou Wide Bandgap), abreviado por WBG;
Os transistores de comutação de SiC já são comuns, com a disponibilidade de uma ampla variedade de valores de potência;
O 'boom' dos transistores de GaN teve início lá por 2020, com a chegada de carregadores de smartphones e outros eletrônicos cada vez mais potentes e eficientes. São aqueles "carregadores de GaN", como a mídia "especializada" costuma chamar.
CURIOSIDADE: Um bom exemplo da evolução trazida pelos semicondutores de GaN é a fonte ATX HDPlex GaN 250W ATX, apresentada no primeiro semestre de 2022, com 170 x 50 x 25 mm (as ATX comuns são de 140 x 140 x 90 mm, aprox.), cabendo no bolso e entregando 250 W com eficiência de 94%. Ela não requer ventoinha para estabilização da temperatura. Veja a imagem abaixo:
Imagem 8 - A redução do tamanho e aumento de eficiência dos semicondutores WBG mostrados na prática
Ainda assim, podemos melhorar ainda mais o desempenho dos semicondutores com a utilização de materiais com bandas proibidas ainda mais largas. São os semicondutores de Ultra Wide Bandgap (UWBG).
São classificados como semicondutores UWBG os materiais que possuam bandas proibidas maiores que 4 eV.
Neste grupo temos como exemplo o:
→ Trióxido de Gálio (Ga2O3), que pode bater os 4,9 eV;
→ Nitreto de Boro Cúbico (c-BN), com 6,4 eV;
→ Diamante, com 5,5 eV;
→ Nitreto de Alumínio e Gálio (AlGaN), que pode ter uma banda proibida de até 6,2 eV.
→ e o Nitreto de Alumínio (AlN), que necessita de 6,1 eV para atravessar a banda proibida.
OBSERVAÇÃO: Todos os valores de Band Gap mostrados aqui são vistos numa temperatura em torno de 300 Kelvin (por volta de 26 ~ 27 °C).
Eles possibilitam rendimento ainda maior na conversão de energia, o que é importante no caso dos semicondutores de potência. As perdas ôhmicas são menores.
Eles podem trabalhar com tensões maiores e têm uma faixa de frequências de operação melhor entre 1 kHz e 1 MHz. Dependendo o material usado, como o Gálio por exemplo, os semicondutores UWBG também apresentam maior rendimento com sinais de RF.
Podemos dizer que estes componentes representarão a próxima geração dos semicondutores de potência, indicando que ainda temos muito que evoluir na eletrônica antes que os dispositivos quânticos invadam nosso cotidiano.
CURIOSIDADE: Quando se tratam de LEDs, o SiC (para luz azul) e o AlN (para ultravioleta) já são comumente utilizados na indústria.
A partir de 4 eV já podemos considerar o material um isolante, no entanto, por convenção, mantemos a denominação "semicondutor". É na classe dos WBG e UWBG que também entram os chamados semicondutores orgânicos, que serão vistos ao longo deste texto.
É válido lembrar que, para um semicondutor, o aumento de temperatura provoca uma redução da energia do band gap. Quando a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações atômicas aumenta, ocasionando um maior espaçamento interatômico. A interação entre os fônons da rede e os elétrons livres e lacunas também afetará o gap, mas em um menor grau. Isso significa que, em 0 Kelvin, um semicondutor é um baita isolante!
Atualmente existem duas classes de semicondutores:
-> Os Semicondutores Inorgânicos (SI): São aqueles estudados até aqui, feitos de Silício, Germânio ou outros semicondutores, como por exemplo o Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP), utilizado para a produção de LEDs vermelhos, ou então o Óxido de Ferro e Óxido de Titânio utilizado nos Termistores NTC. De forma resumida, os Inorgânicos são todos aqueles semicondutores que não possuem como base um átomo de Carbono;
-> Os Semicondutores Orgânicos (SO): São aqueles que possuem como base um átomo de Carbono formando moléculas pequenas, ou então cadeias carbônicas maiores conhecidas como "polímeros".
Aqui vai uma breve dissertação sobre os Semicondutores Orgânicos e Inorgânicos:
Semicondutores Inorgânicos
Tendo o Silício como símbolo da indústria eletrônica, vamos utiliza-lo como base para este tópico.
OBSERVAÇÃO: Para entende-lo, é recomendado ler um dos artigos sobre polímeros, pois nele se encontra a explicação básica necessária para distinguir uma cadeia cristalina, semicristalina e amorfa. Para acessa-lo CLIQUE AQUI!
O Silício é um átomo coordenado quádruplo (têm os já ditos quatro elétrons na camada de valência) que é normalmente ligado em tetraedro a quatro átomos de silício vizinhos.
No Silício cristalino, abreviado “c-Si", (também chamado de Silício de cristal único ou monosilício) esta estrutura tetraédrica continua em grande escala, formando assim uma rede cristalina bem ordenada. Nele, o marco cristalino é homogêneo, podendo ser reconhecido por uma coloração inclusive externa. Cristais individuais grandes são extremamente raros na natureza e também podem ser difíceis de produzir no laboratório.
Em contra partida, o Silício amorfo, abreviado “a-Si”, essa ordem de longo alcance não está presente. Em vez disso, os átomos formam uma rede aleatória contínua. Além disso, nem todos os átomos num pedaço de Silício amorfo são quatro vezes coordenados. Devido à natureza desordenada do material, alguns átomos têm uma ligação pendente. Fisicamente, essas ligações pendentes representam defeitos na rede aleatória contínua e podem causar comportamento elétrico anômalo.
CURIOSIDADE: O Silício microcristalino (também chamado silício nanocristalino) é Silício amorfo contendo pequenos cristais ao longo da cadeia desordenada. Ele absorve um espectro mais amplo de luz e é flexível. A tecnologia do Silício “micromorfo” emprega e combina os dois tipos - Silício amorfo e microcristalino - em uma célula fotovoltaica. A Sharp produz células usando este sistema para capturar mais eficientemente a luz azul, aumentando a eficiência das células durante o tempo em que não há luz solar direta sobre elas. O Silício protocristalino é frequentemente utilizado para otimizar a tensão de circuito aberto em placas fotovoltaicas com base em a-Si.
O a-Si pode ser passivado pelo Hidrogênio, que se liga às ligações oscilantes e pode reduzir a densidade das ligações pendentes em várias ordens de grandeza. O Silício amorfo Hidrogenado (a-Si: H) tem uma quantidade suficientemente baixa de defeitos para ser aplicado em dispositivos como células solares fotovoltaicas, particularmente no regime de crescimento protocristalino. No entanto, a hidrogenação está associada à degradação induzida pela luz no material, denominado efeito Staebler-Wronski.
O a-Si não hidrogenado possui uma densidade de defeitos muito alta, o que leva a propriedades semicondutoras indesejáveis, como baixa fotocondutividade, e impede a dopagem, tornando-o inviável para as propriedades semicondutoras de engenharia. Ao introduzir Hidrogênio durante a fabricação de Silício amorfo, a fotocondutividade é significativamente melhorada e a dopagem se torna possível.
CURIOSIDADE: O a-Si: H, foi fabricado pela primeira vez em 1969 por Chittick, Alexander e Sterling por deposição usando um precursor de gás de silano (SiH4). O material resultante mostrou uma menor densidade de defeitos e aumentou a condutividade devido a possibilidade de adicionar as impurezas. O interesse no a-Si: H surgiu quando, em 1975, LeComber e Spear descobriram a capacidade de dopagem substitucional neste material usando fosfina (material do tipo N) ou diborano (material do tipo P).
O papel do Hidrogênio na redução de defeitos foi verificado pelo grupo de Paul em Harvard, que encontrou uma concentração atômica de Hidrogênio de cerca de 10% através da vibração IR (infravermelho), que para as ligações Si-H tem uma frequência de cerca de 2000 cm-1. A partir da década de 1970, o a-Si: H foi introduzido em células solares pela RCA, atingindo uma eficiência de cerca de 13,6% em meados de 2015.
O motivo principal da limitada eficiência de painéis fotovoltaicos com base em a-Si deve-se em grande parte à baixa mobilidade das lacunas do material. Essa baixa mobilidade de lacuna foi atribuída a muitos aspectos físicos do material, incluindo a presença de ligações pendentes (Silício com 3 ligações), ligações flutuantes (Silício com 5 ligações), bem como reconfigurações de ligações.
Embora muito trabalho tenha sido feito para controlar essas fontes de baixa mobilidade, as evidências sugerem que a multiplicidade de defeitos interagentes pode levar a mobilidade a ser inerentemente limitada, já que a redução de um tipo de defeito leva à formação de outros.
Ligas amorfas de Silício e Carbono (Carbeto de Silício amorfo, também existente na 'versão' hidrogenada “a-Si1-xCx: H”) são uma variante interessante. A introdução de átomos de Carbono adiciona graus extras de liberdade para o controle das propriedades do material. O filme também pode ser transparente para a luz visível.
O aumento da concentração de Carbono na liga amplia o espaço eletrônico entre as bandas de condução e de valência (também chamado de “gap óptico” e bandgap). Isso pode aumentar potencialmente a eficiência luminosa das células solares feitas com camadas de Carbeto de Silício amorfo. Por outro lado, as propriedades eletrônicas como um semicondutor (principalmente a mobilidade eletrônica) são adversamente afetadas pelo aumento do teor de Carbono na liga, que provoca proporcional desordem na rede atômica. Isto é visível nos LEDs azuis confeccionados com SiC, que precisam de uma tensão relativamente alta (pode chegar a 4,5 Volts) para serem excitados.
CURIOSIDADE: A densidade do Si amorfo foi calculada como 4,90 x 1022 atomo / cm3 (2,285 g / cm3) a 300 Kelvin. Isto foi feito utilizando tiras delgadas (5 micron) de a-Si. Essa densidade é 1,8 (± 0,1%) menor que o c-Si sob os mesmos 300 K. O Silício é um dos poucos elementos que se expande após o resfriamento e tem uma densidade menor como um sólido do que como um líquido.
Enquanto o a-Si sofre de menor desempenho eletrônico comparado ao c-Si, ele é muito mais flexível em suas aplicações. Por exemplo, as camadas a-Si podem ser mais finas que c-Si, o que pode gerar economia no custo.
Uma outra vantagem é que o a-Si pode ser depositado a temperaturas muito baixas, tão baixas quanto 75° C. Isso permite sua deposição não apenas em vidro, mas também em substratos poliméricos, tornando-o um candidato a uma técnica de processamento “rolo a rolo”. Uma vez depositado, o a-Si pode ser dopado de maneira semelhante ao c-Si para formar as camadas do tipo “p” ou do tipo “n” e, finalmente, formar dispositivos eletrônicos.
CURIOSIDADE: O a-Si tem sido utilizado como base para células fotovoltaicas que equipam dispositivos que exigem muito pouca energia, como por exemplo calculadoras de bolso, pois seu desempenho inferior comparado às células solares de c-Si é mais do que compensado pelo custo simplificado e baixa complexidade de deposição em um substrato. As primeiras calculadoras movidas a energia solar já estavam disponíveis no final dos anos 70, como o Royal Solar 1, o Sharp EL-8026 e o Teal Photon. Veja abaixo uma calculadora 'xing ling' com uma minúscula célula fotovoltaica a base de a-Si:
Imagem 9 - O Silício está por tudo quanto é eletrônico :v. A tela LCD destas calculadoras não possui circuito TFT, lembre-se disto
Mais recentemente, melhorias nas técnicas de construção do a-Si também as tornaram mais atraentes para o uso de células solares de 'grande porte'. Aqui, sua menor eficiência inerente é composta, pelo menos parcialmente, pela sua magreza, no entanto, eficiências mais altas podem ser alcançadas empilhando várias células de filme fino uma em cima da outra, cada uma produzida para funcionar bem em uma frequência específica do espectro luminoso. Essa abordagem não é aplicável às células c-Si, que são espessas como resultado de seu intervalo de banda indireto e, portanto, são em grande parte opacas, impedindo que a luz atinja outras camadas em uma pilha.
CURIOSIDADE: As telas LCD possuem um circuito TFT (ou TFD) para acionamento dos subpixels, tendo um processo de layout de circuito semelhante ao dos produtos semicondutores. No entanto, ao invés de fabricar os transistores de Silício num wafer c-Si, eles são feitos de uma fina película de a-Si que é depositada em um substrato de vidro. A camada de Silício para LCDs TFT é tipicamente depositada usando o processo PECVD. Os transistores ocupam apenas uma pequena fração da área de cada pixel.
Já o Silício Policristalino (também chamado de Polisilício) consiste em pequenos cristais, também conhecidos como cristalites, dando ao material um efeito típico de “floco de metal”.
CURIOSIDADE: Enquanto o polissilício e o multissilício são frequentemente usados como sinônimos, multicristalinos geralmente se referem a cristais maiores que 1 mm.
O Polisilício é produzido a partir de Silício de grau metalúrgico através de um método de purificação química chamado “processo de Siemens”. Este processo envolve destilação de compostos voláteis de Silício e sua decomposição sob altas temperaturas. Um processo alternativo emergente de refinamento usa um reator de leito fluidizado. A indústria fotovoltaica também produz Silício de grau metalúrgico (UMG-Si) atualizado, usando processos metalúrgicos em vez de purificação química.
Quando produzido para a indústria eletrônica, o Polisilício contém níveis de impureza inferiores a uma parte por bilhão (ppb), enquanto o Silício policristalino de grau solar (SoG-Si) é geralmente menos puro.
CURIOSIDADE: Algumas empresas da China, Alemanha, Japão, Coréia e Estados Unidos, como a GCL-Poly, Wacker Chemie, OCI e Hemlock Semiconductor, bem como a REC, com sede na Noruega, foram responsáveis pela maior parte da produção mundial (cerca de 230.000 toneladas) de Silício Policristalino em 2013.
A matéria-prima do Polissilício – hastes grandes, usualmente quebradas em pedaços de tamanhos específicos e embaladas em salas limpas antes do embarque – é moldada diretamente em lingotes multicristalinos ou submetida a um processo de recristalização para o cultivo de uma única bola de cristal (Silício monocristalino). Os produtos são então fatiados em wafers de Silício finos e, posteriormente, usados para a produção de células solares, circuitos integrados e outros dispositivos semicondutores.
CURIOSIDADE: O Silício Policristalino é por vezes utilizado em monitores que exigem um desempenho TFT superior. Exemplos incluem pequenos monitores de alta resolução, como aqueles encontrados em projetores 3LCD. Aqui entra outra dificuldade: O uso obrigatório de substratos de vidro, já que o Polissilício é depositado sob alta temperatura, dificultando a utilização de bases poliméricas.
A deposição de Polisilício, ou o processo de aplicação de uma camada de Silício policristalino em um substrato é obtido pela decomposição química do silano (SiH4) em altas temperaturas, em torno de 580 °C a 650 °C. Este processo de pirólise libera Hidrogênio.
SiH4 (g) → Si (s) + 2H2 (g) (CVD – Chemical Vapor Deposition)
Os TFTs à base de a-Si são, de longe, os mais comuns, devido ao seu menor custo de produção, enquanto os TFTs de poli-Si são mais caros e muito mais difíceis de produzir.
A deposição de Silício policristalino em substratos plásticos é motivada pelo desejo de fabricar displays digitais em telas flexíveis. Portanto, uma técnica relativamente nova chamada “cristalização a laser” foi concebida para cristalizar um material precursor composto por Silício amorfo sobre um substrato plástico sem derreter ou danifica-lo. Pulsos de laser UV curtos e de alta intensidade são aplicados para aquecer o material depositado acima do ponto de fusão do Silício, porém, sem derreter todo o substrato.
O silício fundido então cristalizará enquanto esfria. Controlando com precisão os gradientes de temperatura, os pesquisadores conseguiram produzir grãos muito grandes, de até centenas de micrômetros de tamanho no caso extremo, embora tamanhos de grãos de 10 nanômetros a 1 micrômetro também sejam comuns.
Outro método para produzir poli-Si a baixas temperaturas é a cristalização induzida por metais, onde um filme fino de a-Si pode ser cristalizado a temperaturas tão baixas quanto 150 °C se recozido enquanto em contato com outro filme de metal, como por exemplo Alumínio, Ouro ou Prata.
CURIOSIDADE: Uma diferença importante entre o Polissilício e o a-Si é que a mobilidade dos portadores de carga da 'versão' Policristalina pode ser maior e o material também apresenta maior estabilidade sob estresse elétrico e induzido por luz. Isto ocorre pela maior organização das moléculas, que no a-Si estão dispersas, bagunçadas, dando sentido ao nome “amorfo”.
No nível dos componentes, o Polissilício tem sido usado há muito tempo como material base nas tecnologias MOSFET e CMOS. Para estas tecnologias, ele é depositado usando reatores de baixa pressão de vapor químico (LPCVD – Low Pressure CVD) em altas temperaturas e é geralmente fortemente dopado para gerar regiões do tipo “n” e tipo ”p”.
Mais recentemente, o Polissilício intrínseco e dopado está sendo usado em eletrônica de grandes áreas como as camadas ativas e / ou dopadas em transistores de filme fino. Embora possa ser depositado por LPCVD, deposição química de vapor aumentada por plasma (PECVD – Plasma Enhanced CVD) ou cristalização em fase sólida de Silício amorfo em certos regimes de processamento, sendo que esses processos ainda requerem temperaturas relativamente altas de pelo menos 300 °C. Estas temperaturas tornam a deposição de Poli-Si possível para substratos de vidro, mas não para os poliméricos.
O Polissilício tem muitas aplicações na fabricação de chips com milhões de transistores. Um de seus principais usos é como material de eletrodo de gate para dispositivos MOS (Metal Oxide Semiconductor). A condutividade elétrica de uma porta de poli-Si pode ser aumentada depositando-se um metal (como o Tungstênio) ou um siliceto de metal (como o Siliceto de Tungstênio) sobre ela.
O poli-Si também pode ser utilizado na fabricação de resistores de força utilizados em sensores de pressão piezoressitivos (como por exemplo o sensor MAP dos motores a combustão interna modernos), na fabricação de condutores ou como um contato ôhmico para junções rasas, com a desejada condutividade elétrica atingida pela dopagem.
Assim como o Silício, componentes eletrônicos podem implementar Germânio amorfo (a-Ge), monocristalino (c-Ge) ou policristalino (poli-Ge), no entanto, processos de passivação e dopagem ocorrem de forma diferente, pois, por exemplo, se no Silício a passivação pode ser feita com Oxigênio (formando uma superfície de SiO), no Germânio o Oxigênio o tornaria solúvel em água. Outra coisa é seu gap entre banda de valência e de condução, que assim como no Silício é grande, o afastando de aplicações que envolvam luz (como é o caso de LEDs).
CURIOSIDADE: No entanto, existem estudos de implementação do Germânio e placas solares, utilizando-se o a-Ge passivado com Hidrogênio (a-Ge: H) em substituição ao a-Si: H devido ao seu coeficiente de absorção mais alto para comprimentos de onda superiores a 500 nm ser útil em aplicações específicas (agricultura, por exemplo). Esta tecnologia é baseada apenas na deposição de vapor aprimorada por plasma (PECVD) e pulverização catódica (Sputtering) do tipo magnetron, que são métodos de deposição de película fina bem estabelecidos.
Outros materiais, como por exemplo o Gálio, podem ser passivados e dopados tendo estrutura amorfa ou cristalina assim como o Germânio ou o Silício, formando semicondutores inorgânicos.
CURIOSIDADE: Neste tópico foi mencionado por várias vezes o circuito TFT das telas LCD. Para saber mais sobre como é o funcionamento destas telas, CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!
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Semicondutores Orgânicos
Os semicondutores Orgânicos podem ser empregados na construção de transistores de efeito de campo orgânicos (OFET), em novas tecnologias de células solares (OPV), LASERs, LEDs, sistemas de armazenamento de dados numéricos e circuitos integrados poliméricos. Várias empresas como IBM, Sony, Epson, Philips, Kodak e Pioneer já incorporaram esses materiais em suas linhas de produção. No entanto, o uso mais famoso dos SOs são os displays OLED utilizadas em TVs, smartphones e monitores modernos.
O grande avanço obtido nos últimos 50 anos em Nanotecnologia permitiu o surgimento de novas áreas de pesquisa em diferentes campos da Física, Química e Biologia. Em especial, o grandioso progresso em síntese de compostos orgânicos e manipulação de novas moléculas orgânicas que possibilitaram o surgimento da área de pesquisa conhecida como “Eletrônica Orgânica”, abreviada pela sigla “EO”. É daí que também vem o termo “Semicondutor Orgânico”, ou simplesmente “SO”.
Os SOs começaram a ser estudados de forma mais intensa nos anos 1980, e seu descobrimento levou à premiação do Nobel de Química a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid e Hideki Shirakawa em 2000. Em geral, os Semicondutores Orgânicos são constituídos de moléculas orgânicas conjugadas formadas principalmente de cadeias de Carbono, sendo suas propriedades elétricas diferentes das propriedades dos Semicondutores Inorgânicos (SI).
Os SOs podem ser classificados em duas categorias:
→ Polímeros: Para saber mais sobre, CLIQUE AQUI! Um exemplo de polímero utilizado na construção de LEDs orgânicos é o poli (p-fenilenevinileno), abreviado por PPV;
→ Moléculas pequenas, que são compostos orgânicos de baixo peso molecular quando comparadas aos polímeros, e que em geral são conjugados com ligações simples “σ” ou duplas “π”. Um exemplo é o tris(8-hidróxiquinolinato) de Alumínio dopado com Diclorometano (DCM2:Alq3), um dos materiais utilizados na construção de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs);
Veja a imagem abaixo:
Imagem 10 - Alguns materiais utilizados na construção de OLEDs
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Para saber mais sobre o funcionamento dos LEDs orgânicos, CLIQUE AQUI!
Veja abaixo outros químicos que podem ser utilizados como Semicondutores Orgânicos:
Imagem 11
CURIOSIDADE: Capacitores CPA e Capacitores Poliméricos de Óxido de Tântalo utilizam um Semicondutor Orgânico em sua estrutura. Os polímeros mais comuns utilizados na fabricação destes componentes são o Polipirrol (PPy) ou Politiofeno (PEDOT ou PEDT).
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Para saber mais sobre Capacitores de Tântalo, CLIQUE AQUI!
Da mesma forma que nos Semicondutores Inorgânicos, os SOs podem ser classificados como semicondutor Tipo-N ou semicondutor Tipo-P. No entanto, os filmes de semicondutores orgânicos não possuem uma rede cristalina, ou mesmo uma estrutura bem organizada para a maioria dos casos. Em geral, os SOs possuem uma cadeia amorfa, isto é, um grande número de defeitos (armadilhas em energia) em sua estrutura química originados no processo de síntese do material, ou devido a processos de degradação térmica (que podem gerar ruptura das ligações químicas, por exemplo) e até mesmo devido a efeitos de origem mecânica, como por exemplo torção ou compressão (estiramento) das cadeias orgânicas.
Veja as imagens abaixo:
Imagem 12 - Comparação entre Inorgânicos e Orgânicos
Na Imagem 9 temos:
→ (a): Imagem gerada por um STM (microscópio de varredura por tunelamento) da superfície de silício (111);
→ (b): Imagem gerada por um AFM (microscópio de força atômica) da superfície de um fino filme polimérico de SP (PCO20);
→ (c): Imagem gerada por um STM da superfície de um fino filme polimérico PEDOT.
Como consequência desta grande distribuição de defeitos nos compostos orgânicos, o transporte de cargas é limitado por estados de energia localizados, o que o torna lento e bastante incoerente. Por isso, o transporte ocorre através de um mecanismo conhecido como hopping, no qual o portador de carga se desloca (saltando) pelos estados de energia bem definidos. Estes estados de energia bem definidos, presentes nos Semicondutores Orgânicos SOs, constituem o que chamamos de orbitais moleculares de energia. Como assim?
De forma análoga aos Semicondutores Inorgânicos os SOs apresentam:
→ Uma equivalente Banda de Valência chamada LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) - Orbital Molecular Mais Baixo Desocupado;
→ Uma Banda de Condução HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) - Orbital Molecular Mais Alto Ocupado.
As lacunas, cargas positivas, são HOMO. Já os elétrons, cargas negativas, são LUMO. A distância entre as duas também é chamada Gap. De forma sucinta, já que isto foi explicado no artigo "Cap. 1.0: Eletricidade - Condutores e Isolantes", a LUMO é a nuvem de elétrons e a HOMO é as lacunas formadas nos orbitais do átomo.
Os cálculos dos níveis de energia destes materiais são bastante complexos, e exigem grande esforço computacional e compreensão dos processos físicos relacionados com as ligações químicas e transferência de energia. Por isso, a localização espacial do LUMO e HOMO das moléculas orgânicas nem sempre são precisamente conhecidas na maioria dos casos.
A mobilidade dos elétrons nestes materiais pode variar desde 10e-8 cm³/V.s a 10e-2 cm³/V.s e depende fortemente do campo elétrico aplicado, da temperatura, da espessura e da geometria do filme.
Uma das principais vantagens dos Semicondutores Orgânicos é que as propriedades mecânicas e de processabilidade podem ser alteradas mantendo as suas propriedades ópticas e elétricas. Por exemplo, o PPV, um semicondutor com Egap de aproximadamente 2,5 eV e insolúvel, quando modificado com a inserção de grupos alquila na posição 2 e 5 do seu anel aromático, o que resulta no alquil-PPV, passa a ser solúvel na maioria dos solventes orgânicos apolares, melhorando assim a sua processabilidade e mantendo a mesma Egap do PPV sem modificação.
Outra possibilidade dessa classe de materiais e que os torna extremamente atrativos para a indústria é a possibilidade de também manter as suas propriedades mecânicas (flexibilidade) e modular as suas energias de Gap. Se ao invés de utilizar grupos alquila para modificar o PPV utilizar grupos alcoxi nas mesmas posições 2 e 5, resultará, por exemplo, no MEH-PPV com um Egap reduzido de 2,5 para 2,1 eV.
Alguns tipos de Diodos possuem um semicondutor Intrínseco em sua estrutura e geralmente são referidos como "Diodos PIN". Mas o que seria este material Intrínseco?
Um semicondutor intrínseco, também chamado de semicondutor não dopado ou semicondutor do tipo “I”, é um semicondutor puro sem nenhuma espécie dopante significativamente presente. O número de portadores de carga é, portanto, determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas.
Em semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de lacunas são iguais, ou seja, N = P. Este pode ser o caso mesmo depois de dopar o semicondutor, embora apenas se ele for dopado com a mesma quantidade de doadores (N) e aceitadores (P). Nesse caso, N = P ainda é válido, e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado.
Um cristal de Silício ou um cristal de Germânio é diferente de um isolante pois, em qualquer temperatura acima do zero absoluto há uma probabilidade de que um elétron da órbita do átomo seja arrancado de sua posição, deixando para trás uma uma lacuna. Se uma tensão for aplicada, o elétron e a lacuna podem contribuir para um pequeno fluxo de corrente.
A capacidade de conduzir energia em um semicondutor pode ser modelada em termos da "Teoria de Bandas" estudada na Física dos Sólidos. O modelo de banda de um semicondutor sugere que em temperaturas comuns há uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a Banda de Condução e contribuir para a condutividade elétrica.
Em suma, a condutividade elétrica de semicondutores intrínsecos pode ser devido a defeitos cristalográficos ou excitação de elétrons. Em um semicondutor intrínseco, o número de elétrons na Banda de Condução é igual ao número de lacunas na Banda de Valência. Um exemplo é Hg0,8CD0,2Te (Telureto de Mercúrio e Cádmio) à temperatura ambiente.
Para saber mais sobre a Teoria das Bandas leia o artigo Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes.
Para finalizar, em um Diodo PIN o material Intrínseco fica entre o material P e o material N e funciona como uma zona de depleção bem mais espessa. Diodos LASER e até Fotodiodos foram criados com base nesta mesma estrutura dos diodos PIN. O funcionamento destes componentes eletrônicos merece um artigo próprio aqui no blog.
Mas e os semicondutores Extrínsecos?
Quando é pego um semicondutor Intrínseco (isto é, sem impurezas significativamente presentes, ou seja, sem dopagem) e o dopamos com alguma impureza para alterarmos suas características condutoras, o tornamos um semicondutor Extrínseco. No entanto, como dito anteriormente, caso ele for dopado com a mesma quantidade de doadores (N) e aceitadores (P), ainda pode ser chamado de Intrínseco.
Existem fotoresistores e fotodiodos feitos tanto de semicondutores Intrínsecos quanto Extrínsecos, tudo depende da aplicação. Quando falamos de fotoresistores, nos vem na cabeça os resistores LDR, pequenos fotocondutores utilizados como sensor crepuscular em sistemas de iluminação e que possuem em sua estrutura camadas de material semicondutor Intrínseco. Vale lembrar que LDRs feitos de semicondutor Extrínseco também existem, mas costumam operar na faixa de IR.
A melhoria da eficiência dos dispositivos OLED (Semicondutores Orgânicos) consiste em promover um aumento do número de recombinações elétrons-lacunas no interior da Camada Emissiva (CE), com a finalidade de se obter assim decaimentos radiativos para emissão de fótons. Entretanto, é conhecido que em materiais poliméricos apenas um tipo de portador de cargas tem mobilidade preferencial, ou seja, ou ele possui elevada mobilidade de elétrons (tipo N) ou de lacunas (tipo P), mas nunca as duas ao mesmo tempo, sendo a maioria dos polímeros possuindo as lacunas como portadores majoritários (cerca de 2 ordens de grandeza maior em relação ao número de portadores de cargas negativas), levando assim a um desbalanceamento de cargas e uma diminuição do número de recombinações radiativas. Com isso podemos concluir que estes Semicondutores Orgânicos são de estrutura Extrínseca.
Resumindo:
-> Semicondutores foram criados em laboratório a partir de elementos químicos diversos da Tabela Periódica;
-> Existem os semicondutores com Bang Gap considerado 'normal' (Silício e Germânio), aqueles com Band Gap largo (os WBG, como por exemplo o Nitreto de Gálio) e os com Band Gap Ultra Largo (os UWBG, como por exemplo o Nitreto de Alumínio e Gálio).
-> Os Semicondutores mais comuns são aqueles feitos de Silício e Germânio, porém LEDs e LASERs são exemplos de componentes que não costumam ser feitos destes materiais, principalmente por uma questão do Gap indireto entre Banda de Valência e Banda de Condução, que prejudica a geração de luz com eficiência;
-> O Silício ainda é o Semicondutor mais comum para a criação de Diodos comuns, Transistores e microchips diversos, apesar dos estudos em cima do Carbono estarem em andamento, dos semicondutores WBG estarem entrando no mercado e de aplicações com cerâmica já serem difundidas na indústria;
-> Um componente feito de Semicondutor tem no mínimo um pedaço de material N (excesso de elétrons) e um pedaço de material P (falta de elétrons, formando lacunas vazias);
-> A zona onde um material P entra em contato com um material N forma a chamada barreira de potencial, barreira de junção ou zona de depleção;
-> Os Semicondutores podem ser classificados em Orgânicos (estrutura química com base em um átomo de Carbono) e Inorgânicos (estrutura química com base em outros elementos que não sejam o Carbono);
-> Semicondutores Orgânicos são classificados de duas maneiras: existem as "Pequenas Moléculas" e os "Polímeros" (que são estruturas químicas mais extensas e com peso molecular maior);
-> Semicondutores Inorgânicos possuem a Banda de Valência e Banda de Condução, sendo que nos Orgânicos existe a LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) e a HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital), respectivamente;
-> Os Semicondutores Orgânicos e Inorgânicos podem ser classificados em Intrínsecos (sem dopagem significativa ou com dopagem em mesma quantidade entre material N e P) e Extrínsecos (com dopagem desigual entre os materiais N e P).
-> Em Zero Kelvin um semicondutor qualquer é um material isolante. Conforme a temperatura aumenta, ele passa a conduzir gradativamente.
É assim que um semicondutor funciona: se polarizado de forma normal ele conduz energia, mas se for feito o contrário, ou seja, ligar o polo positivo do componente no polo negativo da fonte e ligar o polo negativo do componente no polo positivo da fonte, o semicondutor vai funcionar como um isolante, impedindo (teoricamente - há a questão da corrente de fuga) a passagem de corrente elétrica.
Com isso também foi possível manipular a corrente elétrica, substituir as antigas válvulas usadas na eletrônica e criar novos componentes eletrônicos, como por exemplo o transistor, que é essencial para o funcionamento de qualquer computador.
Quer saber mais sobre eletrônica? A partir deste artigo ficará mais fácil para você entender explicações detalhadas sobre o transistor, o tiristor, diodo, fotodiodo, fototransistor e vários outros componentes eletrônicos que serão detalhados futuramente aqui no site.
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CRÉDITOS e FONTES:
Desenhos: Leonardo Ritter
Referências: livro "Eletrônica Para Autodidatas, estudantes e Técnicos"; InfoEscola; Mundo Educação; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 11 de Fevereiro de 2024.