Microeletrônica – Aula 01 - Física dos semicondutores

[Música] Olá eh hoje nós daremos início ao curso de microeletrônica que vai apresentar para vocês algumas fabricações algumas técnicas para fabricação de circuitos integrados antes de mais nada eu queria colocar para vocês que dentro de um curso de engenharia de computação é muito interessante que o engenheiro de computação Conheça o que ele tem nos seus computadores o foco desse curso vai ser apresentar como a gente fabrica esses computadores esses circuitos integrados que a gente vai usar no seu computador tá em primeiro lugar pra gente poder entender o que que a gente vai fazer no no no no wafer de silício como a gente vai fazer o chip a gente vai precisar relembrar alguns conceitos de física do semicondutores para ter sentido tudo que a gente vai ver depois disso O que a gente vai ver hoje é diferenciar do ponto de vista que a gente vai usar na microeletrônica O que é são o que são materiais Condutores semicondutores e isolantes e como a gente pode alterar as características elétricas desses materiais nosso fundament realmente no processo de fabricação de de de circuitos integrados o que a gente vai fazer é mudar seletivamente a condutividade da lâmina de silício a gente vai acrescentar algumas camadas vai colocar metaliza e vai de uma maneira planejada mudar o A corrente elétrica que a gente tem dentro da lâmina então isso antes de mais nada apesar da ser muito complexo da gente ter eh tecnologia muito avançada envolvida na fbrica apliação dos cutos integrados a gente não pode esquecer disso a gente tá mudando seletivamente a condutividade elétrica em alguns trechos acrescentando alguns materiais e interligando Tod todos eles então vamos lá então antes de mais nada a gente precisa falar um pouquinho da teoria de bandas que é um pouco para é um modo da gente entender como que vai funcionar esse dispositivo então é importante que em termos de condutividade os materiais podem ser classificados como isolantes a gente tá acostumado a ter um isolante a usar uma uma uma sandália de borracha para para tocar em alguma coisa que possa estar eletrizado né o semicondutores e os condutores são todos os fios que a gente tem em casa as conexões as tomadas a gente tem lá o fios a gente sabe que aquilo lá é um condutor e os supercondutores quando eu tenho uma condutividade muito elevada o que a gente vai usar para os fazer os circuitos integrados a maioria dos circuitos integrados são os materiais isolantes semicondutores e Condutores bom é a gente pode representar para entender um pouquinho melhor através de bandas de energia vamos ver como que é feito isso que que eu vou considerar eu vou considerar que o nossos materiais ele tem uma banda de condução onde os elétrons teriam uma mobilidade muito grande para trocar entre um átomo e o outro e eu tenho uma banda de Valência que num estado estacionário numa temperatura muito baixa eu tenho todos os portadores ali e tenho uma região que eu vou chamar de banda proibida eu tenho uma energia limite de da banda de Valência e uma energia mínima da banda de condução essa diferença entre uma e outro a gente chama de energia do GAP de energia da do buraco que a gente tem ali no meio entre as duas bandas Tá então vamos lá como que são esses materiais o material isolante como que ele é ele tem uma separação muito grande entre banda de condução e Banda de Valência e a gente vai ver o que que isso vai repercutir no funcionamento do dispositivo Quando colocar uma material isolante ou um di elétrico o material semicondutor vai ter uma banda proibida um pouquinho menor ou muito menor do que a que eu tenho no no material isolante E aí dependendo da temperatura da polarização das condições de funcionamento do dispositivo eu vou poder promover um portador da banda de Valência paraa banda de condução aonde ele tem a liberdade para percorrer o material como um todo e eu tenho o condutor que são eh que é o material que não tem mais essa a separação ou seja não tem nenhuma dificuldade para que os portadores existentes na em volta dos átomos do material condutor como um cobre como alumínio como o ouro como a prata eles possam conduzir e percorrer Todo o material tá então isolante semicondutor e condutor Então vamos ver quais materiais a gente vai utilizar como isolante a gente vai utilizar com muita frequência o SO2 o SO2 tem um GAP de eh entre a banda de Valência a banda de condução em torno de 8 elron VT Esse é o mais comum e a gente vai entender nas aulas futuras o quão importante é o óxido de silício nós temos também um nitreto de silício com GAP de 5. 1 elv ou nitreto de galho que tem e o gan como a gente costuma chamar que é o 3. 3 electronvolt esses materiais aqui por ter uma separação maior que 3.

3 a gente classifica mais ou menos ali 3. 3 como limite pra gente considerar que acima desse 3. 3 elv Eu tenho um isolante no caso do semicondutor a gente vai ver que em vez dos 8 3.

3 a gente passa para gaps muito menores tá que o campeão de utilização que a gente vai utilizar bastante é o silício com gck de 1. 1 electronvolt 90% do chips que a gente vai utilizar a gente vai usar sobre silício talvez até mais do que isso o material que já que está dentro no no profundo de toda a revolução que a informática criou né Eh e que até hoje é utilizado eh por vários motivos que a gente vai ver ao longo das nossas aulas mas nós temos também o germo o primeiro semicondutor no qual foi feito um transistor por exemplo com um GAP ainda menor de 0. 67 eletron VT e o arceno de galho de 1.

43 um dos materiais mais eficientes do ponto de vista de velocidade de processamento quando eu trabalho com oreto de galho o que eu tenho é a possibilidade de ter velocidades processamento altíssimas só que ele tem uma um custo muito elevado uma dificuldade para se fabricar por isso que a gente utiliza o silício nessas condições bom o que que acontece esse material semicondutor que é o mais importante dos materiais a gente vai girar em torno dele da utilização do Silício do Germano mas principalmente do Silício conforme eu aumento a temperatura eu posso promover a a a passagem de portadores que estavam na banda de Valência pra banda de condução quando eu crio que eu promovo esse elétro pra banda de condução porque ele que vai eh percorrer e vai dar condutividade pro meu material eu deixo uma ausência do do elétro que a gente chama de lacuna na verdade não é uma carga positiva Mas é uma eh uma ausência de uma carga negativa que que vai ficar ligada aos átomos do do Silício no caso pro nosso nosso material quando eu aumento essa temperatura o que eu faço eu promovo ao aumento de portadores na banda de condução então aumentando a temperatura é uma das maneiras que eu tenho para aumentar a condutividade do meu material então eu vou controlar essa temperatura eu não vou deixar ele trabalhando em qualquer temperatura eu gostaria que ele trabalhasse dentro de uma faixa que não fosse muito afetado tá então bom o que acontece quais são esses materiais onde tão esses materiais que a gente vai utilizar no caso do circuito integrado se a gente olhar toda a tabela periódica nós vamos ver o seguinte que os materiais que a gente vai utilizar são na coluna quatro quem que são esses daqui ó tem o carbono silício germânio e outros materiais que a gente pode utilizar porque ele tem uma peculiaridade ele tem quatro elétr elétrons na última camada a gente faz a distribuição dependendo do número de de de de elétrons Que el ele tem na banda de condução a gente tem um número na última camada essa última camada que vai nos interessar por que quatro vai ser interessante porque nós temos a aqui também os seus vizinhos da camada três e da camada CCO que vão ser muito importantes pra gente alterar essa condutividade quando eu tenho só o silício e somente o silício na minha rede Cristalina o que eu tenho é que esses quatro elétrons vão ser compartilhados com vizinhos também de silício e o cada átomo de silício vai ter oito elétrons na última camada e ele vai ficar estável ele não vai ter uma eh não vai aumentar muito a sua a a sua condutividade em função disso bom então vamos continuar então de todos os materiais o que a gente vai usar muito são esse o silício o boro e o arsênico e o fósforo depois a gente vai usar eh o alumínio a gente vai usar o cobre outros materiais que ao longo das aulas a gente vai tá Relembrando a vocês o que que acontece o carbono o silício germânio são os materiais do grupo Quatro com interesse em microeletrônica tá que a gente gostaria de usar que a gente vai usar mais então o que a gente tem que o silício tem como eu já disse quatro e elétrons na última camada se eu coloco ele próximo de um outro silício esse silício ele estabelece uma uma ligação covalente uma ligação mais estável é uma ligação covalente que se em certas condições de obtenção dessa lâmina de silício eu vou poder ter esse silício de uma forma monocristalina e aí por exemplo o que a gente vai ter como Como eu posso mostrar para vocês aqui olha o que acontece é que aqui são átomos de silício essas bolinhas pretas são os átomos de silício E essas distâncias E essas esses ângulos de ligação foram determinado pelo equilíbrio termodinâmico esse aqui é uma é uma uma estrutura estável de silício monocristalino todos eles estão espaçados com o mesmo ângulo e com a mesma distância esse material é o nosso material de base para fazer o circuito integrado tá e a gente vai tá o explorando um pouquinho mais essa organização espacial que a gente tem do Silício mas aqui agora se a gente for continuar olhando o que vai acontecer eh esse material vai fazer o seguinte com certa energia desse semicondutor possibilita-se que elétrons da banda de Valência passe pra banda de condução a gente já falou isso isso é o que tá acontecendo uma consequência dessas transições é o aparecimento de lacunas da banda de Valência é muito importante a gente avaliar que sempre quando eu tô promovendo eh portadores na banda de condução eu tenho lacunas na banda de Valência esse equilíbrio é sempre a a a temperatura o que eu posso provocar uma polarização vai sempre gerar isso que a gente chama um para elétron lacuna para um elétri que eu tenho da banda de condução eu tenho uma lacuna na banda de Valência tá na mesma quantidade o que acontece para que um elétron passe da banda de Valência para banda de condução é necessário o fornecimento de uma energia maior que a energia do GAP essa energia que separa as duas bandas isso aqui que a gente não pode esquecer então aqui a gente tem do Silício 1. 1 elv Se eu der de alguma maneira ou térmica ou com polarização uma energia maior que 1.