Física dos dispositivos semicondutores

1. Física dos dispositivos semicondutores

2. TEM Termodinâmica Mecánica Quântica Estado Sólido Ciência dos materiais Física dos Semicondutores Eletrônica Física dos Dispositivos Semicondutores Software Microeletrônica INFORMÁTICA

3. Plano do curso 1. Fundamentos da teoria de semicondutores, 1.1. Faixas de energia no cristal semicondutor; 1.2. Estatística de portadores em equilíbrio; 1.3. Processos de geração e recombinação de portadores; 1.4. Transporte de portadores; 2. Dispositivos bipolares, 2.1. Junção p-n; 2.2. Contato metal-semicondutor; 2.3. Diodos; 2.4. Transistor bipolar 3. Dispositivos MOS 3.1. Capacitor MOS 3.2. Transistor MOS 3.3. Tecnologia CMOS 4. Optoeletrônica,4.1. Fotodetectores e detectores de partículas; 4.2. Células solares; 4.3. LED 5 Semicondutores compostos,5.1. Heterojunções; 5.2. Lasers de semicondutores; 5.3. Dispositivos exóticos.

4. 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 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

5. Propriedades Básicas dos Semicondutores

6. I.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

7. 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

8. I.2 Materiais Semicondutores

10. 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.

11. Monocristais • 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.

12. A Unit Cell

14. The zinc-blende crystal structure of GaAs and InP The diamond lattice of silicon and germanium

15. 1.4 Índices de Miller • Uma forma conveniente de especificar planos cristalográficos e direções em uma rede cristalina é proporcionada pelo emprego dos índices de Miller. Para uma rede cúbica os indices (h k l) definem um plano da rede. Método para determinar os índices : • - achar as intersecções do plano com os 3 eixos e normalizar em termos do parâmetro de rede a ; • - achar os recíprocos dessas intersecções; • - usando multiplicador conveniente obter conjunto de menores inteiros.

17. Tecnologias principais de silício

18. Processos de fabricação de dispositivos na tecnologia planar do silício • 0. Crescimento epitaxial • 1. Difusão • 2. Oxidação térmica • 3. Implantação iônica • 4. Recozimento • 5. Foto litografia • 6. Deposição de filmes • 7. Ataques úmidos e por plasma, limpezas

19. NMOS

20. CMOS

21. bipolar

22. bipolar

23. Formula de Einstein • D = (kT/q). D – coeficiente de difusão [cm2/s] kT/q = Vth – thermal voltage [V]  - mobility [cm2/(V.s)]

24. Movimento das partículas • Deriva das partículas • Difusão das partículas • Distribuição de Maxwell–Boltzmann

25. Corrente de deriva – Driftcurrent J = e(nµn + pµp)E

26. Mobilidade - Mobility • Lattice scattering • Impurity scattering • Surface scattering

27. Resistividade - Resistivity Resistência de folha – SheetResistance

28. Corrente de difusão – Diffusion current • Fick'slawsofdiffusion 3D 1D

29. Maxwell–Boltzmann distribution

30. Fim